DE3903844A1 - Absorberstab fuer einen kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Reaktor-Absorberstäbe oder -platten (im folgenden auch Steuerstäbe genannt) zum Steuern der Leistung eines Leichtwasser-Kernreaktors, zum Beispiel eines Siedewasserreaktors. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen eine hohe Reaktivität aufweisenden langlebigen Kernreaktor-Steuerstab, der dazu dient, die Abschaltgrenze des Reaktors heraufzusetzen und die Lebensdauer zu erhöhen.

Herkömmliche Siedewasserreaktoren-Steuerstäbe sind üblicherweise so aufgebaut, daß mehrere Neutronenabsorberstangen in mehrere Flügel eingesetzt sind, die aus U-förmigen länglichen Mänteln bestehen, die an einer mittigen Verbindungsstange befestigt sind. Jede der Neutronenabsorberstangen besteht beispielsweise aus einem Deckrohr aus rostfreiem Stahl, welches mit Borkarbid (B₄C) in Granulatform als Neutronenabsorber gefüllt ist.

Wenn ein solcher Reaktor-Steuerstab in den Reaktorkern eines Kernreaktors eingeführt wird, zum Beispiel in den Kern eines Siedewasserreaktors, verliert der in die Ummantelungen eingefüllte und mit Neutronen bestrahlte Neutronenabsorber nach und nach seine Fähigkeit, Neutronen zu absorbieren. Daher wird der Kernreaktor-Steuerstab nach einer gewissen Betriebszeit ausgetauscht.

Die einzelnen Flügel des im Reaktorkern eines Kernreaktors eingesetzten Steuerstabs wird nicht gleichmäßig über die gesamte Fläche mit Neutronen bestrahlt. Beispielsweise werden die Zone am Einsetzende und die Zone an der Außenkante jedes Flügels intensiver mit Neutronen bestrahlt. Ein Teil des Neutronenabsorbermaterials, welches sich in diesen Zonen befindet, absorbiert also Neutronen in höherer Menge und wird folglich schneller verbraucht und erreicht die nukleare Lebensdauer früher. Folglich muß der gesamte Steuerstab verschrottet werden, obschon die nukleare Lebensdauer des restlichen Neutronenabsorbermaterials in den anderen Zonen noch ausreichen würde. Der herkömmliche Steuerstab läßt also in wirtschaftlicher Hinsicht zu wünschen übrig. Darüber hinaus bedeutet eine große Häufigkeit beim Ersetzen der Kernreaktor-Steuerstäbe eine Zunahme der Gesamtzeit für den Stabaustausch, was zu einer Reduzierung des Ausnutzungsfaktors des Kraftwerks führt, also einen beträchtlichen wirtschaftlichen Nachteil darstellt. Weiterhin ist mit einem häufigen Austausch der Steuerstäbe das Risiko einer zusätzlichen Strahlenbelastung für das Personal verbunden.

Um diesen Problemen und Unzulänglichkeiten zu begegnen, wurde von den Erfindern der vorliegenden Erfindung bereits ein Kernreaktor-Steuerstab vorgeschlagen, in welchem ein Neutronenabsorber relativ langer Lebensdauer, zum Beispiel aus Hafnium, in einigen Abschnitten des Steuerstabs vorgesehen ist, in denen die Intensität der Neutronenbestrahlung hoch ist.

Dieser Reaktor-Steuerstab (Japanische Patent-Offenlegung 53-74 697) besitzt eine Hybridstruktur, bei der ein langlebiger Neutronenabsorber in den oberen Endabschnitten und in den Stabkanten der Flügel vorgesehen ist. Dieser Hybrid- Steuerstab besitzt eine doppelt so lange Lebensdauer wie herkömmliche Steuerstäbe.

Bei den herkömmlichen Reaktor-Steuerstäben ist der Flügel jeweils mit einem Neutronenabsorber gefüllt, wobei die Dichteverteilung sich gleichmäßig über den gesamten Bereich des Flügels verteilt, wobei einzelne Abschnitte des Flügels in dessen axialer Richtung hinsichtlich Neutronenabsorbierfähigkeit oder Reaktivität ausgeglichen sind. Diese Ausgestaltung gestattet jedoch eine gewisse Dispersion der Reaktivität im Laufe der Zeit, verursacht durch eine Ungleichmäßigkeit der Neutronen-Bestrahlungsintensität, die oben erwähnt wurde. Deshalb besteht die Möglichkeit für eine lokale Beeinträchtigung hinsichtlich der Reaktor-Abschaltgrenze in der letzten Stufe des Betriebszyklus des Reaktors.

Die Reaktor-Abschaltgrenzenverteilung (oder Unterkritizität) in axialer Richtung beim Betrieb des Reaktors während einer vorbestimmten Zeitspanne unter Verwendung des oben beschriebenen Reaktor-Steuerstabs ändert sich geringfügig in Abhängigkeit der Design-Spezifikation der Brennstoffanordnung oder in Abhängigkeit des Betriebsverfahrens des Reaktors, jedoch ist diese Verteilung stets die gleiche. Das heißt: Die Reaktor-Abschaltgrenze ist bezüglich des oberen und des unteren Endes des Reaktorkerns hoch und an einer Stelle etwas unterhalb des oberen Randes minimal.

Dieses Phänomen läßt sich folgendermaßen erklären:
Wenn die effektive axiale Länge des Reaktorkerns L beträgt, ist der Blasenkoeffizient während des Reaktorbetriebs besonders hoch in einem Abschnitt in der Nähe des oberen Endes des Kerns, welcher zwischen dem oberen Ende und einer Stelle liegt, die von dem unteren Ende des Kerns einen Abstand von ¾ · L hat. In diesem Abschnitt ist die Leistungsdichte des Reaktors relativ gering, und die Menge des verbleibenden Urans mit der Massenzahl 235 (U-235), welches spaltbares Material ist, ist vergleichsweise groß. Durch den Effekt der Erzeugung von Blasen erfolgt eine Neutronenspektrumhärtung. Als Ergebnis wird die Erzeugung von Plutonium (Neutronenabsorptions-Reaktion) begünstigt. Aus diesem Grund wird die Anreicherung von Spaltstoff in einem oberen Abschnitt des Kerns nach dem Betrieb des Reaktors relativ hoch, so daß sich die Reaktor-Abschaltgrenze im Hinblick auf diese Zone relativ reduziert.

Unter diesen Umständen werden aufgrund des Erfordernisses, die Reaktorleistungsfähigkeit in ihrer Form als Betriebswirtschaftlichkeit zu erhöhen, die Erweiterung des Kernbrennstoff- Abbrandes und die Ausdehnung des Betriebszyklus unvermeidlich gefördert. Um diesen Erfordernissen zu genügen, werden in zunehmendem Maße Brennstoffe mit hohem Anreicherungsfaktor eingesetzt, und entsprechend sind Reaktor-Steuerstäbe mit einer langen nuklearen Lebenszeit und verbesserter Reaktor-Abschaltgrenze dringend erforderlich.

Wenn die herkömmlichen Steuerstäbe bei einem Reaktor eingesetzt werden, der mit einem Kernbrennstoff mit hohem Anreicherungsfaktor geladen ist, reduziert sich die Reaktor-Abschaltgrenze relativ, und es ist notwendig, die Steuerstäbe bei kurzem Betriebszyklus periodisch auszutauschen. Zum Austausch der Steuerstäbe ist es erforderlich, komplizierte Betriebsabläufe beim Herunterfahren des Reaktors durchzuführen und aus dem Kern zunächst mehrere um die auszutauschenden Steuerstäbe herum angeordnete Brennelemente zu entfernen. Die Zeitspanne, während der der Reaktor abgeschaltet ist, verlängert sich damit und führt zu einer beträchtlichen Reduzierung der Reaktorauslastung und folglich zu einer verschlechterten Wirtschaftlichkeit. Ferner besteht auch die Gefahr einer beträchtlichen Zunahme des Verwaltungsaufwandes.

Um dem Bedarf an einer Verlängerung der Lebensdauer der Steuerstäbe nachzukommen, wurde von der Anmelderin ein stark verbesserter langlebiger Reaktor-Absorberstab oder Steuerstab entwickelt (Japanische Patent-Offenlegung 58- 55 887). Bei diesem Steuerstab sind in aus rostfreiem Stahl bestehende Flügel Neutronenabsorbermaterial, zum Beispiel Hafnium, bestehen. Durch die Verwendung der langlebigen Neutronenabsorberplatten aus Hafnium oder dergleichen verlängert sich die Lebensdauer des Steuerstabs stark.

Allerdings sind derartige Steuerstäbe relativ schwer und insgesamt teuer, da eine aus Hafnium bestehende Platte teurer ist als herkömmliche Neutronenabsorber, und Hafnium darüber hinaus eine hohe Dichte aufweist. Dieser Steuerstab kann kaum verwendet werden in Anlagen, bei denen herkömmliche Steuerstab-Handhabungsmechanismen vorhanden sind, wenn man nicht diese Mechanismen zur Handhabung der Steuerstäbe so ändert, daß sie schwere Lasten manipulieren können.

Angesichts der oben aufgezeigten Probleme im Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen einen hohen Reaktivitätswert aufweisenden, langlebigen Absorberstab für Kernreaktoren anzugeben, der so ausgelegt ist, daß die Reaktorabschaltgrenze heraufgesetzt und die Lebensdauer erhöht ist, indem eine optimale Menge langlebigen Neutronenabsorbermaterials in einer Zone vorgesehen wird, in der die Reaktorabschaltgrenze die Neigung hat, niedriger zu werden, um speziell dessen Reaktivitätswert heraufzusetzen.

Weiterhin soll durch die Erfindung ein Steuerstab für Kernreaktoren geschaffen werden, bei dem der Gesamt-Reaktivitätswert verbessert ist und die Lebensdauer erhöht ist, indem Mittel vorgesehen werden, die dem Anschwellen des Neutronenabsorbers Rechnung tragen.

Die Erfindung soll weiterhin einen Steuerstab für Kernreaktoren schaffen, der sich durch ein verringertes Gesamtgewicht auszeichnet, indem ein Neutronenabsorber aus einer speziellen leichten Legierung gebildet wird.

Auch soll durch die Erfindung ein Steuerstab für Kernreaktoren geschaffen werden, der die nukleare, mechanische Lebensdauer erhöht und mit dem vorhandene Reaktoreinheiten nachrüstbar sind.

Die Lösung bzw. Lösungen der oben angegebenen Probleme sind in den Patentansprüchen angegeben.

In einer speziellen Ausführungsform des Steuerstabs ist die Neutronenabsorber-Packung ausgebildet in Form von mehreren ausgerichteten Neutronenabsorber-Aufnahmelöchern, die sich in Breitenrichtung des jeweiligen Flügels erstrecken, wobei einige dieser Aufnahmelöcher, die sich in einer Zone befinden, wo die Unterkritizität während des Abschaltens des Reaktors geringer oder flacher wird, größer ausgebildet sind, um einen vergrößerten Querschnitt zu schaffen, während gleichzeitig die diese verlängerten oder vergrößerten Löcher aufweisende Struktur mit Mitteln ausgestattet ist, die dem Ausbeulen oder Anschwellen Rechnung tragen.

Die Erfindung schafft außerdem einen Steuerstab für Kernreaktoren mit dem oben erläuterten Aufbau, wobei die Neutronenabsorberpackung ausgebildet ist in Form eines Neutronenabsorberpackungs- Raumabschnitts, welcher unterteilt ist in einen ersten Abschnitt an der Seite des oberen Einsetzendes und einen zweiten Abschnitt an der Seite des unteren Einsetzendes und benachbart zu dem ersten Abschnitt. Diese erste Zone enthält eine Zone mit hohem Reaktivitätswert, in welcher eine verdünnte Legierung untergebracht ist, die man dadurch erhält, daß man einen langlebigen Neutronenabsorber mit einem Verdünnungsmittel verdünnt. Mehrere seitliche Löcher erstrecken sich in Breitenrichtung des Flügels und sind in einer Reihe über die Zone verteilt angeordnet, wo der langlebige Neutronenabsorber enthalten ist. In diesen seitlichen Löchern ist ein von dem langlebigen Neutronenabsorber verschiedener Neutronenabsorber untergebracht.

Die Erfindung schafft außerdem einen Steuerstab für Kernreaktoren, bei dem der Neutronenabsorberpackungs-Raumabschnitt unterteilt ist in eine erste Zone auf der Seite des oberen Einsetzendes, wo die Neutronen-Bestrahlungsrate besonders hoch ist, eine zweite, der ersten Zone benachbarte Zone, wo die Unterkritizität während des Abschaltens des Reaktors geringer wird, und eine dritte Zone, die der zweiten Zone auf der Seite des unteren Einsetzendes benachbart ist, wobei ein langlebiger Neutronenabsorber in den Aufnahmelöchern der ersten Zone untergebracht ist, ein Neutronenabsorber wie beispielsweise Borkarbid in Aufnahmelöchern der zweiten und der dritten Zone untergebracht ist und zumindest eines der Aufnahmelöcher in der dritten Zone als Gasplenum ausgebildet ist.

In diesen Steuerstäben sind auch einige der Aufnahmelöcher in einer Zone, in der die Unterkritizität beim Abschalten des Reaktors geringer wird, vergrößert ausgebildet, um einen länglichen Querschnitt zu haben. Dabei ist die diese vergrößerten Löcher enthaltende Struktur mit Mitteln ausgestattet, die dem Ausbeulen Rechnung tragen.

Bei den so ausgebildeten Steuerstäben für Kernreaktoren ist jeder Flügel aus einer verdünnten Legierung gebildet, die einen optimalen Anteil an Hafnium mit langer Lebensdauer und hoher Dichte aufweist, und diese verdünnte Legierung ist aus einer festen Lösung gebildet, die Zirkonium oder Titan, welches geringe Dichte aufweist, enthält. Damit ist es möglich, einen Steuerstab mit geringem Gewicht und stabilen physikalischen und chemischen Eigenschaften zu erhalten. Der Steuerstab läßt sich also in herkömmlichen Reaktoren einsetzen, ohne daß man die Stabilität der Handhabungsmechanismen des Reaktors ändern müßte.

Der Reaktivitätswert (reactivity worth) des Steuerstabs wird erhöht durch die komplementären Neutronenabsorbtions- Effekte von Hafnium, welches als langlebiger Neutronenabsorber in der verdünnten Lösung jedes Flügels enthalten ist, und dem Neutronenabsorber, der sich in den Aufnahmelöchern innerhalb jeder Zone befindet. Dadurch wird die Reaktor- Abschaltgrenze verbessert und die nukleare Lebensdauer sehr stark verlängert.

In den Steuerstäben mit dem oben beschriebenen Aufbau ist eine größere Menge des Neutronenabsorbers in einem Bereich vorgesehen, in welchem die Unterkritizität während des Abschaltens des Reaktors geringer wird, während sich ein langlebiger Neutronenabsorber in einem Bereich befindet, wo die Neutronenbestrahlungsstärke besonders hoch ist, und es befinden sich Gasräume in optmierter Weise in anderen Bereichen, um Gase aufzunehmen wie beispielsweise Helium, welches erzeugt wird durch die Reaktion zwischen dem Neutronenabsorber und Neutronen. Dadurch wird die Zunahme des Gasdrucks begrenzt und mithin die mechanische Festigkeit verbessert.

In den erfindungsgemäßen Steuerstäben sind in jedem Flügel Aufnahmelöcher ausgebildet, die sich in Breitenrichtung des Flügels erstrecken, während sie in Längsrichtung des Flügels eine Reihe bilden. Ein langlebiger Neutronenabsorber befindet sich zumindest in Aufnahmelöchern, die in dem oberen Einsetzendabschnitt des Flügels gebildet sind und die Beitrag leisten zu dem Reaktivitätswert. Daher wird die Neutronenabsorptionsfähigkeit des oberen Einsatzendabschnitts, der der Neutronenbestrahlung ausgesetzt ist, wenn er sich während des Betriebs im Reaktorkern befindet, oder selbst dann, wenn er herausgezogen wird, über einen langen Zeitraum hinweg aufrechterhalten, so daß die nukleare Lebensdauer verlängert wird.

Wenn der Steuerstab vollständig in den Reaktorkern eingeführt ist, ist die nukleare Reaktion im Inneren der Brennelementanordnung durch das Blasenbildungsphänomen beschränkt bezüglich der zweiten Zone, die in der Nachbarschaft der ersten Zone des Steuerstabs - in Längsrichtung betrachtet - angeordnet ist, und wo die Unterkritizität geringer wird. Deshalb wird in diesem Fall die Menge des verbleibenden Kernbrennstoffs im Vergleich zu der zweiten Zone groß. Daneben steigt die Dichte des Spaltmaterials durch die plutoniumbildende Reaktion stark an. Die Erfindung schafft jedoch die Möglichkeit, die Menge des Neutronenabsorbers, der in zweiten Zone untergebracht ist, zu optimieren, und zwar durch Änderung des Abstands, der Form und der Abmessungen der Aufnahmelöcher in der zweiten Zone, so daß dadurch die Lochkapazität pro Längeneinheit in Längsrichtung des Flügels im Vergleich zu den übrigen Zonen erhöht ist. Der gewünschte Reaktivitätswert des Neutronenabsorbers in der zweiten Zone läßt sich dadurch auch bei einem Langzeitbetrieb des Reaktors beibehalten. Als Folge davon ist es möglich, eine ausreichende Gesamt- Reaktorabschaltgrenze zu gewährleisten, während der Steuerstab vollständig in den Reaktorkern eingeführt ist.

Der Abschnitt des Flügels, in welchem die länglichen Löcher ausgebildet sind, ist so konstruiert, daß einem Anschwellen oder Ausbeulen Rechnung getragen ist, und zwar derart, daß ein Neutronenabsorber, der nicht durch die Neutronenabsorptionsreaktion anschwillt, in den extremen Endabschnitten jedes Gehäuselochs in der Nähe der benachbarten Löcher vorgesehen ist, oder dahingehend, daß die Dicke der Flügelwandabschnitte auf entgegengesetzten Seiten des Lochs an den extremem Endabschnitten erhöht ist, um so die mechanische Festigkeit zu erhöhen. Stattdessen können auch mit einem Neutronenabsorber gefüllte Innenrohre in die länglichen Löcher eingesetzt sein, es kann eine Innenhülse in jedes Langloch eingesetzt sein, während ein Bor enthaltender Neutronenabsorber in dieser Innenhülse untergebracht ist, oder es können Grübchen in den Außenflächen der Flügelwandabschnitte ausgebildet sein. Der so augebildete Steuerstab zeichnet sich durch durch Ausbeulen hervorgerufene Spannungen um das jeweilige längliche Loch herum aus, ist gekennzeichnet durch eine Verzögerungszeit, mit der die Spannung erzeugt wird, und verhindert die Erzeugung von Spannungen, was insgesamt zur Verlängerung der mechanischen Lebensdauer beiträgt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Vorderansicht eines Kernreaktor-Absorberstabs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2A eine vergrößerte Schnittansicht eines Ausschnitts IIA in Fig. 1,

Fig. 2B eine Schnittansicht entlang der Linie IIB- IIB in Fig. 2A,

Fig. 2C bis 2F Schnittansichten entlang der Linien IIC-IIC, IID-IID, IIE-IIE bzw. IIF-IIF in Fig. 2A,

Fig. 3A eine Schnittansicht zur Veranschaulichung der Schrittweite bzw. des Abstands, mit dem die Aufnahmelöcher angeordnet sind,

Fig. 3B eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Hafniumanteil und dem Neutronenabsorptionsverhältnis,

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der axialen Lage des Kerns und der Spaltstoffanreicherung,

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der axialen Lage des Kerns, dem Neutronenmultiplikationsfaktor und der Reaktorabschaltgrenze,

Fig. 6 eine Grafik der Beziehung zwischen der axialen Position des Kerns und der Neutronenbestrahlungsrate,

Fig. 7 eine Grafik der axialen Verteilung einer Neutronenabsorptionskennlinie des in Fig. 1 dargestellten Steuerstabs,

Fig. 8 eine Grafik der axialen Verteilung der nuklearen Lebensdauer des Steuerstabs nach Fig. 1,

Fig. 9 eine Grafik der axialen Verteilung des Neutronenmultiplikationsfaktors des Steuerstabs nach Fig. 1, im Vergleich mit der entsprechenden Verteilung eines herkömmlichen Stabs,

Fig. 10 eine Grafik der axialen Verteilung der tatsächlichen nuklearen Lebensdauer des Steuerstabs, dargestellt als Neutronenmultiplikationsfaktor des Steuerstabs nach Fig. 1 im Vergleich zu der entsprechenden Verteilung bei einem herkömmlichen Steuerstabs,

Fig. 11 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 12A bis 12G Schnittansichten von Beispielen für die Form und Ausgestaltung der Aufnahmelöcher in verschiedenen Flügeltypen,

Fig. 13 eine Schnittansicht eines Flügels eines Steuerstabs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 14A und 14B Diagramme der Axialverteilung der Menge von Hafnium und der Menge von B₄C, das in den Flügel des Steuerstabs nach Fig. 13 eingepackt ist,

Fig. 15A eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 13 dargestellten Flügels,

Fig. 15B eine Schnittansicht entlang der Linie XVB- XVB in Fig. 15A,

Fig. 16A bis 16C geschnittene Draufsichten entlang der Linien XVIA-XVIA, XVIB-XVIB bzw. XVIC-XVIC in Fig. 15A,

Fig. 17A ein Diagramm der axialen Verteilung der Unterkritizität bezüglich eines herkömmlichen Steuerstabs,

Fig. 17B ein Diagramm einer Neutronenabsorptionskennlinie des erfindungsgemäßen Steuerstabs,

Fig. 17C ein Diagramm, welches den Vergleich zwischen den Unterkritizitäten bezüglich des Steuerstabs der Erfindung einerseits und des herkömmlichen Steuerstabs andererseits darstellt,

Fig. 18A und 18B Schnittansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Steuerstabs,

Fig. 19 bis 22 Schnittansichten weiterer Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Steuerstabs,

Fig. 23A eine teilweise geschnittene Ansicht eines Steuerstabs gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 23B eine Schnittansicht entlang der Linie XXIIIB-XXIIIB in Fig. 23A,

Fig. 24A ein Diagramm der Schrittweite der Aufnahmelöcher in den Flügeln der oben erwähnten Steuerstäbe,

Fig. 24B eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen den Abständen der Aufnahmelöcher, der Menge des eingepackten Neutronenabsorbers und dem Reaktivitätswert (relativer Wert),

Fig. 25 eine teilweise geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steuerstabs,

Fig. 26A eine Schnittansicht entlang der Linie XXVI- XXVI in Fig. 25,

Fig. 26B eine Schnittansicht eines modifizierten Ausführungsbeispiels des in Fig. 26A dargestellten Abschnitts,

Fig. 27A eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts XXVII in Fig. 25,

Fig. 27B eine Schnittansicht entlang der Linie XXVIIB- XXVIIB in Fig. 27A,

Fig. 27C bis 27F Querschnittansichten entlang den Linien XXVIIC-XXVIIC, XXVIID-XXVIID, XXVIIE-XXVIIE, XXVIIF-XXVIIF in Fig. 27A,

Fig. 28A und 28B Schnittansichten entlang den Linien XXVIIIA-XXVIIIA und XXVIIB-XXVIIB in Fig. 25,

Fig. 29 eine Teilschnittansicht eines Flügels, der der Zone W in Fig. 12C entspricht und den Aufbau des Flügels darstellt, der mit Mitteln ausgestattet ist, die einem Ausbeulen entgegenwirken,

Fig. 30 bis 32 Schnittansichten modifizierter Formen der Ausführungsform nach Fig. 29,

Fig. 33 eine Teilschnittansicht eines Flügels, der beispielsweise dem in Fig. 12C dargestellten Flügelabschnitt entspricht und den Aufbau des Flügels mit einer Einrichtung gegen ein Ausbeulen darstellt,

Fig. 34 eine vergrößerte Teilansicht des Abschnitts XXIV in Fig. 33,

Fig. 35 eine Schnittansicht eines modifizierten Beispiels des in Fig. 33 gezeigten Abschnitts,

Fig. 36 bis 39 Teilschnittansichten weiterer modifizierter Beispiele erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele,

Fig. 40A und 40B geschnittene Draufsichten auf weitere modifizierte Beispiele des erfindungsgemäßen Steuerstabs,

Fig. 41 eine perspektivische Ansicht eines vollständigen herkömmlichen Reaktor-Steuerstabs, und

Fig. 42 eine Teilschnittansicht des in Fig. 41 dargestellten Steuerstabs.

Zunächst soll anhand der Fig. 41 und 42 ein herkömmlicher Steuerstab für einen Siedewasserreaktor beschrieben werden.

Fig. 41 ist eine teilweise fragmentarische perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Steuerstabs 1, Fig. 42 ist dessen Querschnittansicht. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist ein langgestreckter Mantel 3 mit U-förmigem Querschnitt an jedem Ende einer kreuzförmigen mittleren Verbindungsstange 2 befestigt, so daß ein Flügel 4 gebildet wird, in welchem mehrere Neutronenabsorberstangen 5 eingesetzt sind. Jede Neutronenabsorberstange 5 besteht beispielsweise aus einem aus rostfreiem Stahl hergestellten Deckrohr, welches mit Borkarbid (B₄C) in Graunulatform gefüllt ist, welches als Neutronenabsorber dient.

Wenn der Steuerstab 1 in einen Reaktorkern eines Siedewasserreaktors oder dergleichen eingeführt wird, wird der die Mäntel 3 füllende Neutronenabsorber mit Neutronen bestrahlt und verliert nach und nach seine Fähigkeit, Neutronen zu absorbieren. Deshalb wird der Kernreaktor-Absorberstab oder -Steuerstab ausgetauscht, nachdem er eine gewisse Betriebszeit hinter sich hat.

Bei diesem herkömmlichen Steuerstab 1 ist, wie aus Fig. 42 ersichtlich, jeder Flügel mit einem Neutronenabsorber gefüllt, wobei über den gesamten Bereich des Flügels eine gleichförmige Dichteverteilung vorhanden ist, und Abschnitte des Flügels in axialer Richtung sind bezüglich der Absorptionsfähigkeit oder Reaktivität ausgeglichen. Bei dieser Anordnung jedoch ist eine gewisse Dispersion der Reaktivität mit verstreichender Zeit möglich, und zwar aufgrund einer ungleichmäßigen Neutronenbestrahlung, wie oben ausgeführt wurde. Es besteht mithin die Möglichkeit einer lokalen Beeinträchtigung der Reaktorabschaltgrenze während der letzten Phase des Betriebszyklus des Reaktors. Weiterhin ist es wünschenswert, diesen Steuerstab hinsichtlich der Materialauswahl für das Neutronenabsorbermaterial zu verbessern, um das Gesamtgewicht des Steuerstabs zu reduzieren.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Reaktor-Steuerstabs 1. Das Gesamterscheinungsbild des Steuerstabs 1 ist etwa das gleiche wie das des in Fig. 41 gezeigten herkömmlichen Steuerstabs.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist der Steuerstab 10 so aufgebaut, daß innere Enden mehrerer rechtwinkliger Flügel 13 mit einem Verbindungsglied 12 derart verbunden sind, daß - in Längsrichtung betrachtet - eine Kreuzform entsteht. In jedem Flügel 13 ist ein flacher, länglicher Raum gebildet, in welchen Neutronenabsorber gepackt werden. Das obere Einsetzende und das untere Einsetzende jedes Flügels 13 sind an einem oberen Endstück 10 a bzw. einem unteren Endstück 10 b befestigt, um so die mechanische Festigkeit des Steuerstabs zu erhöhen. An dem oberen Endstück 10 a ist eine Handhabe 10 c einstückig angeformt. In jedem Flügel 13 befinden sich mehrere Aufnahme- oder Gehäuselöcher 14. Die Aufnahmelöcher 14 sind in Längsrichtung des Flügels 13 von dem oberen Einsetzende 10 a aus über eine Strecke L angeordnet, wobei die Strecke L der gesamten axialen Länge des Reaktorkerns entspricht.

Wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, ist jeder Flügel 13 in mehrere Abschnitte unterteilt, in welchen Neutronenabsorber mit unterschiedlichen Kennlinien untergebracht sind, wobei die Kennlinien jeweils von der Neutronenbestrahlungsrate und dem erforderlichen Reaktivitätswert abhängen, und an einigen Stellen ist jeweils ein Gasplenum oder Gashohlraum ausgebildet.

In einer Zone l₄, des oberen Einsetzendes ist die Neutronenbestrahlungsrate hoch, jedoch ist ein ziemlich hoher Reaktivitätswert aufgrund des im Material des Flügels 13 enthaltenen Hafniums vorhanden. Deshalb ist in den Aufnahmelöchern 14 innerhalb der Zone l₄ kein Neutronenabsorber untergebracht, so daß die Aufnahmelöcher 14 als Gasplenum 16 dienen.

Innerhalb einer Zone l₅ unmittelbar unterhalb der Zone l₄, also dort, wo die Neutronenbestrahlungsrate besonders hoch ist, befindet sich ein langlebiger Neutronenabsorber 17 aus einem Hafniummaterial in jedem der Aufnahmelöcher 14. Vorzugsweise wird in der Zone l₅ ein Hafniummaterial mit langer Lebensdauer verwendet. Wenn in der Zone l₅ Borkarbid (B₄C) untergebracht ist, besteht die Möglichkeit einer beträchtlichen Abnahme der Lebensdauer.

In der unmittelbar unter der Zone l₅ anschließenden Zone l₆ ist ein ein hohes Reaktivitätsäquivalent aufweisender Neutronenabsorber 18, beispielsweise Borkarbid (B₄C), untergebracht, da in dieser Zone ein gewisses hohes Maß an Reaktivitätsäquivalenz (Neutronenabsorptionsfähigkeit) vorhanden sein muß, obschon in dieser Zone die Neutronenbestrahlungsrate vergleichsweise hoch ist. Der Grund der Reaktivitätsäquivalenz (reactivity worth) von Borkarbid ist höher als bei einem Hafniummaterial in bezug auf die gleiche Packungskapazität.

Als Neutronenabsorber 15 für die Aufnahmelöcher 14 in dem oberen Endabschnitt, der in den Kern eingeführt wird, kann ein Material verwendet werden, welches aus einer oder zwei der folgenden Substanzen ausgewählt ist, um die Lebensdauer zu erhöhen: Hafnium (HF), Hafnium-Zirkonium-Legierung (HF- Zr), Hafnium-Titan-Legierung (Hf-Ti), Silber-Indium- Cadmium-Legierung und Oxide aus Seltene-Erden-Elementen wie z. B. Europiumoxid (Eu₂O₃), Dysprosiumoxid (Dy₂O₃), Gadolinumoxid (Gd₂O₃), Samariumoxid (Sm₂O₃) und dergleichen. Der Neutronenabsorber 15 erzeugt bei der Reaktion mit Neutronen kein Heliumgas. Deshalb verhindert die Verwendung des Neutronenabsorbers das Auftreten von Ausbeulungen oder Schwellungen um das Gehäuseloch 14 herum und verringert die Möglichkeit übermäßiger Spannungen in dem Flügel 13 wegen Ausbeulungen.

In einer Zone W, die dadurch definiert wird, daß man von der Zone l₂ jedes Flügels 13 die Zonen l₄ bis l₆ abzieht ist die Neutronen-Bestrahlungsrate vergleichsweise gering, jedoch reduziert sich die Unterkritizität bezüglich dieser Zone, wenn der Steuerstab vollständig abgesenkt wird, um den Reaktor abzuschalten. Deshalb ist es notwendig, in die Zone W eine große Menge von Neutronenabsorbermaterial zu packen, welches ein hohes Reaktivitätsäquivalent aufweist. Folglich wird diese Zone mit Aufnahmelöchern 14 a versehen, die mit einem reduzierten Abstand P zwischen den Loch-Mitten angeordnet sind, wie in Fig. 12A dargestellt ist, oder es werden Löcher mit in Axialrichtung vergrößerten diametralen Abmessungen vorgesehen, die dicht an dicht in Axialrichtung angeordnet sind, wie in den Fig. 2A, 12C und 12D dargestellt ist. Die Menge des in den Gehäuselöchern 14 a untergebrachten Neutronenabsorbers 18 mit hohem Reaktivitätsäquivalent ist größer.

Es ist nicht nötig, den Reaktivitätswert einer unteren Zone l₃ jedes Flügels 13 zu erhöhen. Deshalb sind in dieser Zone die Aufnahmelöcher 14, die mit einem Neutronenabsorber 18 eines hohen Reaktivitätsäquivalents gefüllt sind, z. B. Borkarbid (B₄C), mit Gaskammern 16 ausgestattet. Das Gasplenum 16 befindet sich in der Zone l₃, die sich von einem unteren Einsetzende O jedes Flügels 13 in Richtung auf ein oberes Einsetzende H desselben Flügels bis zu einer Stelle erstreckt, die die Hälfte der gesamten Axiallänge L ausmacht. Die Gaskammern 16 sind durch die Aufnahmelöcher 14 gebildet, in denen sich kein Neutronenabsorber befindet. Wichtig ist es, einen hohen Reaktivitätswert in einem Abschnitt in der Nähe des unteren Einsetzendes O vorzusehen, und deshalb können die Gaskammern 16 in kleineren Abständen angeordnet sein, wie aus Fig. 1 hervorgeht.

Die Öffnungen der Aufnahmelöcher 14 und 14 a jedes Flügels 13 stehen miteinander über einen Kanal 19 in Verbindung, der in dem äußeren Kantenbereich jedes Flügels 13 ausgebildet ist, so daß ein in den Zonen l₂ und l₃ erzeugtes Gas durch den Kanal 19 in die Gaskammern 16 gelangen kann. Der Druck des in sämtlichen Aufnahmelöchern 14 und 14 a befindlichen Heliumgases innerhalb der Zonen l₂ und l₃ wird dadurch ausgeglichen.

Wie aus den Fig. 2C bis 2F hervorgeht, ist entlang dem Kanal 19 eine Hafniumstange 20 mit etwa halbkreisförmigen Querschnitt angeordnet, wobei Kantenbereiche 21 des Flügels derart gebogen sind, daß sie die Hafniumstange 20 umschlingen. Verbindungsabschnitte der Flügel-Kantenabschnitte 21 sind miteinander durch eine Nahtschweißung verbunden, so daß der Flügel 13 eine einstückige Struktur aufweist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jeder Flügel 13 aus einer verdünnten Legierung gebildet, die dadurch erhalten wird, daß man einen langlebigen Neutronenabsorber wie beispielsweise Hafnium (Hf) mit einem leichten Lösungsmittel wie beispielsweise Zirkonium (Zr) oder Titan (Ti) löst. Die gelöste Legierung wird derart gebildet, daß der Hafniumanteil generell auf 20 bis 90 Gew.-% eingestellt wird, damit er über die gesamte axiale Länge L des Flügels 13 gleichmäßig ist. Es ist auch möglich, den Hafniumanteil von dem oberen Einsetzende aus in Richtung auf das untere Einsetzende nach Maßgabe der Reaktivitätsverteilung in axialer Richtung graduell zu reduzieren.

Bei dem in Fig. 3A dargestellten Beispiel ist der aus einer verdünnten Legierung gebildete Flügel 13, in welchem eine feste Lösung aus Hafnium (Hf) und Zirkonium (Zr) vorhanden ist, mit Aufnahme- oder Gehäuselöchern 14 ausgestattet, die sich von seinem Seiten-(Kanten-)Abschnitt aus erstreckten, und in die Gehäuselöcher 14 ist der Neutronenabsorber 15, zum Beispiel B₄C, gefüllt.

Der Reaktivitätswert oder Neutronenabsorptionskennwert des Flügels 13 schwankt abhängig von der Dicke t des aus der Hf-Zr-Legierung bestehenden Abschnitts, dem Mittenabstand P der Aufnahmelöcher 14, dem Durchmesser D der Aufnahmelöcher, dem Hf-Anteil in der Legierung usw. Das heißt: Wie aus Fig. 3B hervorgeht, werden die Neutronen von dem B₄C allein absorbiert, wenn die Legierung kein Hf enthält. Mit zunehmendem Hf-Anteil nimmt der Faktor der Neutronenabsorption des B₄C ab, während die Summe der Faktoren der Neutronenabsorption von Hf und B₄C bei geringem Zuwachs zunimmt. Hinsichtlich einer Zusammensetzung, in der der Hf-Anteil mehr als 30 Gew.-% beträgt, wird die Geschwindigkeit, mit der der Gesamtfaktor zunimmt, kleiner, und der Gesamtfaktor steigt nicht wesentlich an, selbst wenn der Hf-Anteil weiter erhöht wird.

In einer Zone, in der die Neutronenbestrahlungsrate vergleichsweise gering ist und allein eine Zunahme des Reaktivitätswerts benötigt wird, wird der Anteil des durch eine lange Lebensdauer gekennzeichneten Hafniums auf einen geringeren Wert eingestellt. Der Neutronenabsorptionsfaktor erreicht keinerlei Sättigungspunkt, während der Hf-Anteil zunimmt, und die Reaktivität nimmt mit zunehmendem Hf-Anteil zu, wenn auch mit geringem Zuwachs.

Da allerdings gemäß Fig. 3C das spezifische Gewicht oder die Dichte der verdünnten Legierung mit zunehmendem Hf-Anteil ansteigt, ist es nachteilig, den Hf-Anteil oberhalb eines gewissen Pegels einzustellen, da dies zu einer beträchtlichen Zunahme des Gesamtgewichts und auch zu erhöhten Herstellungskosten führt.

Andererseits sollte in einer Zone, in der eine Zunnahme der Lebensdauer gewünscht ist, der Hf-Anteil erhöht werden, um ein höheres Verhältnis des Neutronenabsorptions-Faktors durch das Hf im Vergleich zu dem Neutronenabsorptions-Faktor des B₄C zu erhalten. Aber selbst wenn der Hf-Anteil mehr als 90 Gew.-% beträgt, wird der Neutronenabsorptions- Faktor nicht wirksam erhöht, wie aus Fig. 3B hervorgeht. Daher wird der Hf-Anteil auf einen Wert festgelegt, der in dem Bereich von 20 bis 90 Gew.-% liegt. In der Praxis ist es zu bevorzugen, den Wert auf 30 bis 70 Gew.-% einzustellen.

Wirtschaftlicher ist es, den Hf-Anteil in der oberen Zone l₂ zu variieren gegenüber der unteren Zone l₃, da in ersterer Zone die Neutronenbestrahltungsrate hoch und in der l₃ vergleichsweise niedrig ist. Das heißt: Es ist möglich, den Anteil von Hafnium, welches teuer ist, zu minimieren, indem man den Hf-Anteil von dem oberen Einsetzende in Richtung auf das untere Einsetzende O reduziert.

Wie in Fig. 3C gezeigt ist, ändert sich die spezifische Dichte der verdünnten Legierung mit dem Ändern des Hf-Anteils. Der optimale Hf-Anteil bestimmt sich unter Berücksichtigung der Lastbeständigkeit des Steuerstab-Antriebsmechanismus, des gewünschten Reaktivitätsäquivalents und der gewünschten Lebensdauer.

Im folgenden soll die Betriebsweise des oben beschriebenen Steuerstabs erläutert werden.

Üblicherweise wird die Verteilung der Spaltstoff-Anreicherung in axialer Richtung des Reaktorkerns bei Förderung des Abbrands bis zu einem gewissen Grad entsprechend der Kurve A in Fig. 4 gegeben. Die Abbrand-Steuerzone des Reaktorkerns ist in axialer Richtung unterteilt in 24 Abschnitte gleicher Länge. Deshalb ist es vorzuziehen, auch die Zone des Reaktor-Steuerstabs 10 in vier entsprechende Teile oder Abschnitte zu unterteilen und die unterteilten Abschnitte zu vergleichen.

Während des Abbrands ist im unteren Ende des Reaktorkerns der Anreicherungsgrad des Spaltstoffs groß, da der Fortschritt des Abbrandes an dieser Stelle langsamer erfolgt. Wenn die axiale Länge des Reaktorkerns L beträgt, findet in einer Zone zwischen einem Mittelabschnitt (²/₄L) und dem oberen Ende aufgrund der dort enthaltenen Leerräume oder Blasen des Phänomen des sogenannten Neutronenspektrumhärtens statt. Dadurch wird die Reaktion der Plutoniumerzeugung (also die Reaktion des Neutroneneinfangs) gefördert, und der Fluß der thermischen Neutronen reduziert sich durch die erzeugten Blasen, was zu einer Verzögerung des Abbrandes führt. Daher erhält man eine Spaltstoff-Anreicherungsverteilung, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist.

Hat die Spaltstoffanreicherung in dem Reaktorkern den in Fig. 4 dargestellten Verlauf, so ergibt sich ein Neutronenmultiplikationsfaktor beim Abschalten des Reaktors, wie er in Fig. 5 durch die Axialverteilungskurve B dargestellt ist. Mit zunehmendem Wert des Neutronenmultiplikationsfaktors wird die Reaktorabschaltgrenze kleiner und die Unterkritizität geringer. Ein Phänomen der Reduzierung des Neutronenmultiplikationsfaktors am oberen und unteren Ende des Reaktorkerns, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, erfolgt durch Neutronenstreuunung.

Fig. 6 zeigt anhand einer Kurve C die Verteilung der Neutronenbestrahlungsrate über die axiale Länge des Steuerstabs 10. Wie aus der Kurve C ersichtlich ist, steigt die Neutronenbestrahlungsrate in einem eng begrenzten oberen Endbereich des Steuerstabs 10 abrupt an (dieser Bereich liegt etwa zwischen dem oberen Ende und einer Stelle, die von dem oberen Ende einen Abstand von etwa 30 cm, insbesondere 5 cm aufweist). Hinsichtlich der übrigen Bereiche nimmt die Neutronenbestrahlungsrate kontinuierlich und glatt zum unteren Ende des Steuerstabs 10 hin ab.

Der erfindungsgemäße Steuerstab 10 ist so konstruiert, daß eine zufriedenstellende Steuerung hinsichtlich des Neutronenmultiplikationsfaktors gemäß Fig. 5 erreicht wird und außerdem auch hinsichtlich der Bestrahlungsgeschwindigkeits- Kennlinie gemäß Fig. 6. Das heißt: Der Steuerstab 10 ist so ausgestaltet, daß er dem Anstieg des Neutronenmultiplikationsfaktors (d. h. einer Reduzierung der Abschaltgrenze) ebenso Rechnung trägt wie einer Tendenz der Abnahme der Abschaltgrenze aufgrund einer Zunnahme der Neutronenbestrahlungsrate am oberen Endabschnitt (der eine Länge aufweist, die der Summe der Längen l₄ bis l₆ entspricht, das heißt etwa 90 bis 95 cm beträgt).

Bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Reaktor- Absorberstabs, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, besteht der Flügel 13 aus einer Legierung, die 30 bis 50 Gew.-% mit Zirkonium verdünntes Hafnium enthält, wobei der Hafnium-Anteil in der verdünnten Legierung gleichmäßig über die gesamte axiale Länge L verteilt ist.

Die Verteilung des Reaktivitätswerts (des Reaktivitätsäquivalents, der Neutronenabsorptions-Kennlinie) in axialer Richtung wird in der in Fig. 7 dargestellten Weise eingestellt, indem in der oberen Endzone des Flügels 13 Gaskammern vorgesehen werden, der Typ des in die Aufnahmelöcher gefüllten Neutronenabsorbers (B₄C, Hafnium) geändert wird und die Dichte der Verteilung der Gaskammern in der unteren Zone erhöht wird. Das heißt: Während der Reaktivitätswert im oberen Abschnitt geringfügig verringert wird, da die Zone l₄, in der die Gaskammern 16 vorhanden sind, und die Zone l₅, in der Hafniummaterial vorgesehen ist, im oberen Endabschnitt vorhanden sind, besitzen die Aufnahmelöcher 14 a in der Zone W eine vergrößerte Form, und des befindet sich eine große Menge B₄C mit hohem Maß an Reaktivitätsäquivalent in diesen Aufnahmelöchern, um so eine Zone mit einem hohen Reaktivitätswert zu bilden. Das Verhältnis der Gaskammern wird von den Mittelbereich (²/₄L) zum unteren Ende hin nach und nach erhöht, so daß der Reaktivitätswert zum unteren Ende hin abnimmt.

Der Verlauf der nuklearen Lebensdauer in axialer Richtung des Steuerstabs gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist in Fig. 8 dargestellt. Die nukleare Lebensdauer ist an einer Stelle im oberen Einsetzende reduziert, da die Aufnahmelöcher in diesem Abschnitt nicht mit einem Neutronenabsorber gefüllt sind und als Gaskammern dienen, und weil der Hafniumanteil in der den Flügel 13 bildenden Legierung gering ist, d. h. 30 bis 50 Gew.-% ausmacht. Diese Stelle verringerter Lebensdauer ist auf einen sehr kleinen Abschnitt des Flügels in der Nähe des oberen Flügelendes beschränkt, und er hat damit keinen nennenswerten Einfluß auf die Unterkritizität.

Unterhalb von und benachbart zu der Stelle verringerter Lebensdauer befindet sich eine Zone, in der die Lebensdauer lang ist. Der Grund dafür besteht darin, daß ein Hafniummaterial mit hoher Hafnium-Dichte von etwa 97 Gew.-% in die Aufnahmelöcher dieser Zone gefüllt ist, um die nukleare Lebensdauer stark zu erhöhen.

Eine Zone, in der die Lebensdauer geringfügig kürzer ist, schließt sich an, da der Abstand, mit dem die Aufnahmelöcher in der Zone angeordnet sind, erhöht ist, und die Aufnahmelöcher mit B₄C gefüllt sind. Grundsätzlich ist es vorzuziehen, in dieser Zone ein Hafniummaterial wegen der Aufrechterhaltung der nuklearen Lebensdauer zu verwenden, da dort die Neutronenbestrahlungsrate vergleichsweise hoch ist, jedoch wird B₄C genommen, um einen hohen Reaktivitätswert beizubehalten.

Bei der Bestrahlung mit Neutronen schwillt das B₄C an und drückt auf die Innenflächen der Aufnahmelöcher, mit der Folge, daß das Grundmaterial des Flügels einer starken Belastung ausgesetzt ist. Deshalb besteht die Gefahr, daß die Festigkeit des Flügels aufgrund einer Beeinträchtigung des Grundmaterials, welches beide Oberflächenabschnitte des Flügels verbindet, abnimmt, wenn die Aufnahmelöcher in axialer Richtung des Steuerstabs vergrößert ausgebildet werden. Deshalb ist es nötig, Maßnahmen vorzusehen, mit denen die gewünschte Festigkeit gewährleistet wird. Dementsprechend werden Aufnahmelöcher mit kreisrundem Querschnitt gebildet, wobei Abschnitte des Grundmaterials mit einer gewissen Dichte zwischen benachbarten Aufnahmelöchern stehenbleiben.

Um jegliche übermäßige interne Druckkraft auf die Aufnahmelöcher durch das anschwellende B₄C zu vermeiden, wird vorzugsweise die Packungsdichte des B₄C unter einem gewissen Wert gehalten. Das heißt: Die Packungsdichte des Borkarbid- Granulats in den Aufnahmelöchern wird in der Zone, in der die Intensität der Neutronenbestrahlung groß ist, auf 30 bis 65% der theoretischen Packungsdichte eingestellt. Wenn ein Raum zum Absorbieren einer Volumenzunahme aufgrund des Anschwellens auf diese Weise in jedem Loch vorgesehen wird, läßt sich die Druckkraft abfangen. Selbst dann, wenn man derartige Räume vorsieht, besteht keine Möglichkeit, daß sich der eingefüllte Neutronenabsorber spürbar absetzt, da sich die Aufnahmelöcher in horizontaler Richtung erstrecken. Hinsichtlich des oben angegebenen Bereichs für die Packungsdichte beträgt die spezielle Korngröße des B₄C-Granulats etwa 50 bis 300 (Maschen). Das Granulat läßt sich einfach herstellen und kann mühelos eingefüllt werden. Normalerweise wird es mit einer Dichte von etwa 60% gefüllt.

Gemäß Fig. 8 wird die nukleare Lebensdauer von der Mitte jedes Flügels in axialer Richtung ausgehend (²/₄L) in Richtung auf das untere Ende kürzer. Dies deshalb, weil das Verhältnis der Anzahl von Aufnahmelöchern, die als Gaskammern verwendet werden, zu der Anzahl von Aufnahmelöchern, die mit B₄C gefüllt sind, in einem unteren Bereich zunimmt.

Fig. 9 zeigt eine Verteilung des Neutronenmultiplikationsfaktors in dem Reaktor, wenn der Reaktor abgeschaltet wird, indem der oben beschriebene erfindungsgemäße Steuerstab vollständig in den Reaktorkern eingefahren wird, nachdem der Steuerstab eine gewisse Zeitspanne in Betrieb war. Zum Vergleich ist die entsprechende Kennlinie für einen herkömmlichen Steuerstab dargestellt. Gemäß Fig. 9 ist die Kennlinie für den herkömmlichen Steuerstab, bei dem die Reaktivitätswertverteilung über die gesamte axiale Länge gleich ist, durch eine gestrichelte Linie darstellt.

Diese Kennlinie besitzt Spitzen, die einem Abschnitt des Flügels unmittelbar unterhalb des oberen Einsetzendes und einem Abschnitt in der Nähe des unteren Einsetzendes entsprechen, wo der Neutronenmultiplikationsfaktor zunimmt und die Reaktorabschaltgrenze kleiner wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Steuerstab, bei dem die Reaktivitätswert- Verteilung dem in Fig. 7 dargestellten Verlauf entspricht, ist der Neutronenmultiplikationsfaktor generell über die gesamte axiale Länge des Steuerstabs gleichmäßig beschränkt, wie aus der durchgehenden Linie in Fig. 9 hervorgeht. Insbesondere ist der Neutronenmultiplikationsfaktor sehr stark in der Zone zwischen dem oberen Ende L und der Position bei ¾L reduziert, also dort, wo bei der herkömmlichen Anordnung die Unterkritizität die Neigung hat, abzunehmen. Deshalb ist in dieser Zone die Unterkritizität erhöht, wodurch eine ausreichende Reaktorabschaltgrenze beibehalten wird.

Fig. 10 zeigt den Vergleich zwischen der Verteilungskennlinie der nuklearen Lebensdauer bei einem erfindungsgemäßen Steuerstab nach dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel einerseits und die gleichmäßige Zusammensetzung über die gesamte axiale Länge aufweist, ist die nukleare Lebensdauer in dem oberen Bereich jedes Flügels kürzer, während sie im unteren Bereich unnötigerweise länger ist, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet ist.

Die aktuelle nukleare Lebensdauer des Steuerstabs nach dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel bestimmt sich durch das Multiplizieren der Neutronenbestrahlungsrate in bezug auf die Position in der axialen Richtung gemäß Fig. 6 und die nukleare Lebensdauer des Steuerstabs nach Fig. 8. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die nukleare Lebensdauer über die gesamte axiale Länge im wesentlichen ausgeglichen, wie die durchgezogene Linie in Fig. 10 belegt, und insbesondere wird die resultierende Lebensdauer spürbar in derjenigen Zone erhöht, die zwischen dem oberen Einsetzende und der Stelle entsprechend ²/₄L liegt. Eine geringfügige Abnahme am oberen Ende ist nicht gravierend, da das Ausmaß dieses Einflusses dieser Verringerung auf den Neutronenmultiplikationsfaktor während des Abschaltvorgangs des Reaktors sehr gering ist. Eine Spitze, die in der Nähe des oberen Endes vorhanden ist, hat ihre Ursache in der Füllung des langlebigen Neutronenabsorbers in den Aufnahmelöchern in der entsprechenden Zone, und in der Nähe der Spitze erscheint eine Einbuchtung, da in die Aufnahmelöcher der entsprechenden Zone B₄C mit einer vergleichsweise kurzen Lebensdauer eingefüllt ist.

Das oben beschriebene erste Ausführungsbeispiel der Erfindung kann in der Weise modifiziert werden, wie es im folgenden anhand der Fig. 11 erläutert wird.

Dieser Reaktor-Steuerstab 10 weicht von der Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch ab, daß in der oberen Zone l₂ keine länglichen Aufnahmelöcher ausgebildet sind, und daß sämtliche Aufnahmelöcher 14 in jedem Flügel 13, die in axialer Richtung über die Gesamtlänge L verteilt sind, den gleichen Durchmesser besitzen. In die Aufnahmelöcher im Bereich des oberen Einführendes ist eine Borverbindung (z. B. B₄C) mit angereichertem Bor einer Massezahl von 10 (B-10) oder EuB₆ eingefüllt. In der verdünnten Legierung, die sich aus Hafnium und Zirkonium zusammensetzt, und aus dem der Flügel 13 geformt ist, ist der Hf-Anteil auf einen etwas höheren Wert eingestellt, um den Reaktivitätswert heraufzusetzen und dadurch einen Steuerstab zu schaffen, der sich durch einen besonders hohen Reaktivitätswert auszeichnet.

Als nächstes werden Beispiele für den Aufbau des Flügels sowie Form und Anordnung der Aufnahmelöcher 14 und 14 a in der Zone W, wo die Unterkritizität beim Abschalten des Reaktors abnimmt, unter Bezugnahme auf die Fig.12A bis 12G erläutert.

Wie aus Fig. 12A hervorgeht, ist der Abstand P zwischen den Mitten der Aufnahmelöcher 14 a kleiner eingestellt als in den Zonen l₃ und l₆, um dadurch die Menge des eingefüllten B₄C und mithin den Reaktivitätswert in der Zone W zu erhöhen.

Wie in Fig. 12B gezeigt ist, sind mehrere Aufnahmelöcher 14 mit einem kleineren Durchmesser in axialer Richtung des Steuerstabs angeordnet, um eine Gruppe von Aufnahmelöchern 22 zu bilden. Gruppen von Aufnahmelöchern 22 können in axialer Richtung aufeinanderfolgend in bestimmten Abständen angeordnet sein. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht eine Zunahme der Füllkapazität für den Neutronenabsorber, während die gewünschte Baufestigkeit der Flügel 13 gewährleistest ist, da daß Grundmaterial zwischen den Gruppen der Gehäuse- oder Aufnahmelöcher 22 vorhanden ist.

Fig. 12C zeigt ein Beispiel, bei dem der Abstand P zwischen den Mitten der Aufnahmelöcher 14 kleiner ist als der Durchmesser der Löcher, so daß mehrere Aufnahmelöcher zusammen sich in axialer Richtung des Steuerstabs erstreckende Aufnahmelöcher 14 a als Langlöcher bilden. Dieses Beispiel zeigt ähnliche Effekte wie das Beispiel nach Fig. 12B.

Fig. 12D zeigt, wie Aufnahmelöcher 14 b mit reduziertem Durchmesser untereinander in den oberen Endbereichen l₄ und l₅ und Aufnahmelöcher 14 mit großem Durchmesser in der Zone l₆ ausgebildet sind, während in der Zone W (im Querschnitt) Langlöcher ausgebildet sind. Durch diese Ausführungsform wird wegen der dünneren Aufnahmelöcher 14 b sichergestellt, daß auch großen Kräften standgehalten werden kann, die aus dem Inneren jedes Aufnahmelochs 14 b in Richtung auf dessen Außenseite wirken, wenn das B₄C aufgrund starker Neutronenbestrahlung anschwillt. Mit dieser Ausführungsform ist es möglich, das Auftreten jeglicher übermäßiger Beanspruchungen in dem Flügel zu vermeiden.

Fig. 12E zeigt ein Beispiel, bei dem Aufnahmelöcher 14 c mit stark reduziertem Durchmesser zwischen Langlöchern 14 a ausbildet sind, um die Aufnahmekapazität für den Neutronenabsorber weiter zu erhöhen. Es können zwei derartige kleine Aufnahmelöcher 14 c seitlich nebeneinander angeordnet sein.

Fig. 12F zeigt ein Beispiel, bei dem längliche Aufnahmelöcher 14 d derart ausgebildet sind, daß sie einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und somit die Aufnahmekapazität für den Neutronenabsorber im Vergleich zu den mit runden Enden versehenen Langlöchern 14 a (Fig. 12D und 12E) noch vergrößern.

Fig. 12G zeigt ein Beispiel, bei dem Aufnahmelöcher 14 e und 14 f mit rechtwinkligem und dreieckigem Querschnitt nicht nebeneinander ausgebildet sind. Speziell wird bei diesem Beispiel die Möglichkeit geschaffen, sowohl die Aufnahmekapazität zu erhöhen als auch die Baufestigkeit des Flügels zu verstärken. Letzteres geschieht durch den Effekt der Verstärkungsstruktur auf der Grundlage einer rechteckigen Form des Basismaterials zwischen den Gehäuselöchern 14 e und 14 f.

Wie oben erläutert wurde, ist bei dem Reaktor-Steuerstab nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung jeder Flügel aus einer verdünnten Legierung gebildet, die dadurch hergestellt wird, daß man einen langlebigen Neutronenabsorber wie beispielsweise Hafnium, das eine hohe Dichte aufweist, mit einem Verdünner, wie beispielsweise Zirkonium oder Titan, das eine geringe Dichte besitzt, verdünnt. Die verdünnte Legierung wird aus einer festen Lösung, die Zirkonium oder Titan enthält, hergestellt und gestattet die Fertigung eines Steuerstabs mit geringem Gewicht und dennoch stabilen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Dieser Steuerstab läßt sich also in herkömmlichen Reaktoren einsetzen, ohne daß in denen die Entwurfsspezifikationen bezüglich der Belastungsparameter des vorhandenen Steuerstab-Handhabungsmechanismus geändert werden müssen.

Der Reaktivitätswert des Steuerstabs wird erhöht durch die komplementären Neutronenabsorptionseffekte des in einem Neutronenabsorber enthaltenen Hafniums in der verdünnten Legierung, aus der jeder Flügel besteht, einerseits, und dem in die Aufnahmelöcher in jeder Zone gefüllten Neutronenabsorber andererseits, wodurch insgesamt die Reaktorabschaltgrenze verbessert und die nukleare Lebensdauer in starkem Maße erhöht wird.

Weiterhin ist es möglich, einen optimalen Neutronenabsorptionsfaktor zu erhalten, ohne dazu das Gesamtgericht des Steuerstabs zu erhöhen, indem man den Hafniumanteil in der Legierung des Flügels auf einen Wert im Bereich von 20 bis 90 Gew.-% einstellt. Die Erfindung gestattet also die Minimierung der Menge teueren Hafniummaterials, verbilligt also insgesamt den Steuerstab.

Darüber hinaus ist es möglich, den Hafniumanteil in der verdünnten Legierung von dem oberen Einsatzende zu dem extremen Ende hin nach Maßgabe des gewünschten Lebensdauer-Verlaufs zu variieren, so daß die Hafniumanteil-Verteilung auf der Grundlage der Lebensdauerkennlinie beruht und demzufolge eine Minimierung des Anteils des teuren Hafniums und mithin eine Verbilligung des Steuerstabs möglich ist.

Fig. 13 zeigt einen Steuerstab nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das grundsätzliche Aussehen dieses Steuerstabs ist im wesentlichen das gleiche wie das des in Fig. 41 gezeigten herkömmlichen Steuerstabs. Nach Fig. 13 ist ein Steuerstab 110 derart aufgebaut, daß ein (dem oberen Einsetzende des Steuerstabs, in Fig. 13 oben gezeigt) entsprechendes Endstück 111 und ein dem inneren Einführende des Steuerstabs (unten in Fig. 13 gezeigt) entsprechendes Endstück 112 über eine mittige Verbindungsstange 113 kreuzförmigen Querschnitts verbunden sind, während ein Metallmantel 114 mit länglichem U-Querschnitt jeweils an einem der Vorsprünge der Verbindungsstange 113 befestigt ist und dadurch einen Flügel 115 bildet. Das obere Einführende und das unteren Einsetzende jedes der so gebildeten Flügel 115 sind an dem oberen Endstück 111 bzw. dem unteren Endstück 112 befestigt, wodurch die mechanische Festigkeit des Steuerstabs 110 erhöht wird. An den oberen Endstücken 111 ist einstückig ein Handhabungsgriff 116 angeformt, und Führungsrollen 117 zum Führen des Steuerstabs 110 bei dessen Einführen in den Reaktorkern und Herausziehen aus dem Reaktorkern befinden sich an den oberen Endstücken 111.

Der mit der Verbindungsstange 113 verbundene Mantel 114 besitzt mehrere (nicht gezeigte) Wasserdurchgangslöcher, die sich in Längsrichtung des Mantels erstrecken, so daß der Moderator frei in das Innere des Mantels 114 eintreten und diese auch verlassen kann. Neutronenabsorber mit verschiedenen Neutronenabsorptionskennlinien sind nach Maßgabe der Reaktorkenngrößen ausgewählt und in dem Mantel 114 untergebracht.

Der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels weicht von demjenigen des zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiels dadurch ab, daß der Steuerstab 110 unterteilt ist in eine erste Zone X auf der Seite des oberen Einsetzendes, eine zweite Zone Y auf der Seite des unteren Einsetzendes, und daß die erste Zone X weiter unterteilt ist in eine obere Einsetzzone X₁, eine Zone X₂ mit hohem Reaktivitätswert und eine untere Einsetzzone X₃, während beim dargestellten Beispiel sich in Längsrichtung des Flügels erstreckende Neutronenabsorberstangen in einer Reihe in der zweiten Zone Y angeordnet sind. Dieses Ausführungsbeispiel umfaßt jedoch andere Anordnungstypen, die weiter unten erläutert werden.

Anhand der Zeichnung soll nun das zweite Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Der Steuerstab 110 besitzt eine effektive Länge L entsprechend der Höhe des Reaktorkerns, das heißt der axialen Länge des Kerns (entsprechend der axialen Länge des Neutronenabsorber- Füllraums). Die erste Zone X erstreckt sich von dem oberen Einführende jedes Flügels 115 über eine Länge l₁₁ in Längsrichtung wobei dieser Längenabschnitt etwa ½ · L entspricht. Die Länge l₁₁ der ersten Zone X kann kürzer sein, jedoch nicht kürzer als ¼L. Die zweite Zone Y ist als gewöhnliche Neutronenabsorptionszone im Anschluß an die erste Zone X auf der Seite des unteren Einsetzendes des Flügels 115 ausgebildet.

Die erste Zone X des Flügels 115 besitzt eine am oberen Einsetzende gelegene Zone X₁, wo der Flügel starker Neutronenbestrahlung ausgesetzt ist, die durch einen hohen Reaktivitätswert gekennzeichnete Zone X₂ neben der Zone X₁, und die untere Einsetzendzone X₃. Die obere Einsetzendzone X₁ erstreckt sich vom oberen Einsetzende des Neutronenabsorber- Füllraums in Richtung auf das untere Einsetzende und besitzt eine Länge zwischen beispielsweise 5 cm und 32 cm. Diese Länge bestimmt sich auf der Grundlage der Betriebsbedingungen des Steuerstabs 110. In die obere Einsetzendzone X₁ kann ein langlebiger Neutronenabsorber in der Form einer Platte eingesetzt sein, die sich zusammensetzt auf Hafnium oder dergleichen. Statt dessen kann auch ein langlebiger Neutronenabsorber in Form einer verdünnten Legierung 120 eingesetzt sein, wobei sich die Legierung 120 zusammensetzt aus einem mit einem Verdünnungsmaterial wie Zirkonium (Dichte 6,5) oder Titan (Dichte 4,5) verdünnten langlebigen Neutronenabsorber. Dieser Absorber ist in Fig. 13 dargestellt. Die obere Einsetzendzone X₁ bildet einen am oberen Ende gelegenen langlebigen Abschnitt.

Der Steuerstab 110 wird durch vom Reaktorkern kommende Neutronen kontinuierlich bestrahlt, und zwar über einen Bereich, der sich vom dem oberen Einsetzende in Richtung auf das untere Einsetzende über eine Entfernung von etwa 5 cm erstreckt, wobei in diesem Bereich der Neutronenfluß stark schwankt. Daher dient mindestens ein Aufnahmeloch 121, welches in dem Flügel in dessen Breitenrichtung ausgebildet ist, als Leerabschnitt, nämlich als Plenum zumindest in demjenigen Bereich, wie aus Fig. 13, 15A und 15B hervorgeht. Innerhalb des Gehäuselochs 121 wird das Einfüllen von Borkarbid (B₄C), welches unter starker Neutronenbestrahlung anschwillt, vermieden. Dies deshalb, weil möglicherweise das Anschwellen des eingefüllten B₄C eine starke Beanspruchung um das Gehäuseloch 121 herum verursacht, mit der Folge, daß sich Risse in dem Grundmaterial bilden und mithin eine Beeinträchtigung der gewünschten Eigenschaften des Steuerstabs 110 in Kauf genommen werden muß.

Bei dem in Fig. 13 dargestellten Beispiel wird mindestens ein Gehäuseloch 121, welches in einem Abschnitt X₁₁ der oberen Einsetzendzone X₁ auf der Seite des oberen Einsetzendes ausgebildet ist, als ein Gasplenum oder Gassammelraum verwendet, während in dem Gehäuseloch innerhalb eines Abschnitts X₁₂ der oberen Einsetzendzone X₁ ein Hafniummaterial 122 beispielsweise als praktisch unverdünnter Absorber eingesetzt ist.

Dieses Gehäuseloch (seitliches Loch) kann in einem langlebigen Neutronenabsorber gefüllt sein, der als Haupt-Neutronenabsorberanteil ein Oxid einer Seltenen Erde, zum Beispiel Europiumoxid oder Dysprosiumoxid, oder eine Silber- Indium-Cadmium-Legierung (Ag-In-Cd) enthält. Wenn als Grundmaterial für die obere Einsetzendzone X₁ eine verdünnte Legierung 120 eines langlebigen Neutronenabsorbers mit Hafnium verwendet wird, ist der Neutronenabsorbiereffekt groß aufgrund des Vorhandenseins des Hafniums. Da aber die verdünnte Legierung 120 mit einem Verdünner (z. B. einem Material, das als Hauptanteil Zirkonium mit einer Dichte von 6,5 oder Titan mit einer Dichte von 4,5 enthält) verdünnt ist, verkürzt sich die Neutronenabsorptions- Lebensdauer der verdünnten Legierung 120 gegenüber einem langlebigen Neutronenabsorber, der nicht mit irgendeinem Verdünnungsmaterial verdünnt ist. Um die Neutronenabsorptions-Lebensdauer zu strecken, wird vorzugsweise das Hafniumteil 122 als langlebiger Neutronenabsorber in dem Gehäuseloch des Abschnitts X₁₂ untergebracht. Wenn ein langlebiger Neutronenabsorber, zum Beispiel ein Hafniummaterial, als Grundmaterial für die oberen Einsetzendzone X₁ verwendet wird, ist es nicht erforderlich, ein Füllmaterial für das Gehäuseloch in dem Abschnitt X₁₂ vorzusehen.

Bei der Abbrandsteuerung des Reaktors erfolgt die Einstellung der Frage der Brennelementanordnung und des Steuerstabs relativ zueinander in Intervallen von 115 bis 116 cm, wodurch die effektive Länge L des Kerns in 124 Teile unterteilt ist. Deshalb wird vorzugsweise die Länge l₁₂ der oberen Einsetzendzone X₁ auf eine Einheitslänge von 15 bis 16 cm oder auf höchstens 30 bis 32 cm, was dem Doppelten der Einheitslänge entspricht. Da der Beitrag der oberen Einsetzendzone X₁, insbesondere des Abschnitts X₁₁ zu der Reaktorabschaltgrenze für gewöhnlich gering ist, ist es nicht notwendig, ein Hilfs-Neutronenabsorbermaterial wie Borkarbid (B₄C) zusätzlich zu dem langlebigen Neutronenabsorber vorzusehen, wobei letzterer zum Beispiel eine in dieser Zone vorgesehene Platte aus einer Hafnium-Legierung ist.

Die durch einen hohen Reaktivitätswert gekennzeichnete Zone X₂ der ersten Zone X ist allgemein unterteilt in einem Abschnitt X₂₁, der gekennzeichnet ist durch einen langlebigen hohen Reaktivitätswert, und der auf der Seite des oberen Einsetzendes gebildet ist, und einen Abschnitt X₂₂, der einen hohen Reaktivitätswert aufweist und auf der Seite des unteren Einsetzendes neben der Zone X₂₁ einerseits und der inneren Einsetzzone X₃, die sich in Breitenrichtung des Flügels erstreckt, vorhanden ist.

Die Längserstreckung des Abschnitts X₂₁ ist im wesentlichen die gleiche wie die des Abschnitts X₂₂ innerhalb des durch einen hohen Reaktivitätswert gekennzeichneten Zone X₂ der ersten Zone X. Statt dessen kann aber auch die Längserstreckung der Abschnitte der ersten Zone X derart gewählt werden, daß (obere Einsetzendzone X₁ + Abschnitt X₂₁) einerseits und (Abschnitt X₂₂) im wesentlichen gleich sind. Vorzugsweise wird der metallische Mantel 114 aus einer verdünnten Legierung gebildet, die man erhält, wenn man einen langlebigen Neutronenabsorber wie beispielsweise Hafnium mit einem Verdünner wie z. B. Zirkonium (Zr) oder Titan (Ti) geringer Dichte verdünnt. Ein Verdünner wie beispielsweise Zirkonium oder Titan wird mit einem langlebigen Neutronenabsorber gemischt, um eine bevorzugte verdünnte Legierung zu erhalten. Vorzugsweise ist auch die mittlere Verbindungsstange 113 aus einer ähnlichen verdünnten Legierung gebildet.

In der durch ein hohes Reaktivitätsäquivalent gekennzeichneten Zone X₂ der ersten Zone X sich verdünnte Legierungen mit langlebigem Neutronenabsorber, 124 und 125 in Form von Platten, die Hafnium und ein Verdünnungsmaterial enthalten, angeordnet. Von diesen verdünnten Legierungen ist beispielsweise die verdünnte Legierung 124, die in dem durch langlebigen hohen Reaktivitätswert gekennzeichneten Abschnitt X₂₁ untergebracht ist, einstückig mit der verdünnten Legierung 120 in der oberen Einsetzendzone X₁ ausgebildet. Der Anteil von Hafnium (Hf) in jeder der verdünnten Legierungen 120 und 124 beträgt beispielsweise etwa 50 Gew.-%. Jede der verdünnten Legierungen 120 und 124 ist eine Legierung, die gebildet wird durch Verdünnen von als langlebiger Neutronenabsorber dienendem Hafnium mit Zirkonium (Zr), so daß die Legierung eine Dichte von 9,9 aufweist. Die in dem Abschnitt X₂₂ mit hohem Reaktivitätswert untergebrachte verdünnte Legierung 125 mit langlebigem Neutronenabsorber besitzt beispielsweise 20 Gew.-% Hafnium und wird gebildet durch Verdünnen von Hafnium mit Zirkonium, um eine Dichte von 7,9 zu erzielen. Die verdünnten Legierungen 124 und 125 sind mit einer Mehrzahl von seitlichen Löchern 126 gleichen Durchmessers ausgestattet, die sich in Breitenrichtung des Flügels 115 erstrecken, und die in einer Reihe mit gleichmäßigen Abständen in Längsrichtung des Steuerstabs 110 angeordnet sind. Jedes seitliche Loch 126 ist mit einem Neutronenabsorber 128 gefüllt, der sich von dem langlebigen Neutronenabsorber unterscheidet, der in den verdünnten Legierungen 124 und 125 enthalten ist, jedoch mit Ausnahme der oberen Einsetzendzone X₁. Der Neutronenabsorber 128 ist ein Material in Granulat- oder Pelletform, welches als hauptsächliche neutronenabsorbierende Substanz eine Borverbindung, zum Beispiel Borkarbid (B₄C) oder Bornitrid (BN) enthält, welches man durch Anreichern von natürlichem Bor (B) oder Bor-10 (¹⁰B) erhält. Man kann auch das Oxid einer Seltenen Erde nehmen, zum Beispiel Europiumoxid, Dysprosiumoxid, Gadoliniumoxid oder Samariumoxid, ein Gemisch aus einem Seltene-Erden-Oxid und einem Hafniumoxid, oder eine Verbindung aus Bor mit einem Seltene-Erden- Element.

Bei dem in Fig. 13 dargestellten Beispiel ändert sich die Dichte eines langlebigen Absorbers, zum Beispiel Hafnium, der in den verdünnten Neutronenabsorber-Legierungen 124 und 125 in der Zone X₂ enthalten ist, schrittweise in bezug auf den durch langlebigen hohen Reaktivitätswert gekennzeichneten Abschnitt X₂₁ und den durch hohen Reaktivitätswert gekennzeichneten Abschnitt X₂₂. Die Dichte ist in dem Abschnitt X₂₁, wo die Neutronenbestrahlungsrate hoch ist, groß, und sie ist niedrig in dem Abschnitt X₂₂, wo die Neutronenbestrahlungsrate vergleichweise niedrig ist. Die Dichte dieses langlebigen Neutronenabsorbers kann sich kontinuierlich in Richtung auf das untere Einsetzende ändern.

Der Kantenabschnitt des Flügels 115 ist innerhalb der ersten Zone X ebenso wie in der oberen Einsetzendzone X₁ starker Neutronenbestrahlung ausgesetzt. Deshalb ist in einem Kantenbereich des Flügels auf der Seite der Öffnungsenden der seitlichen Löcher 121 und 126 der Zone X₁ und der Zone X₂ (auf der Seite der Flügelkante) eine aus einem langlebigen Neutronenabsorber bestehende Stange 130 eingesetzt, bei der es sich um eine flache, längliche Hafniumplatte handelt, um dadurch die Öffnungen der seitlichen Löcher 121 und 126 zu verschließen. Die seitlichen Löcher 121 und 126 stehen miteinander über Spalte zwischen den Löchern und der Stange 130 in Verbindung, so daß der Gasdruck in den seitlichen Löchern 121 und 126 sich vergleichmäßigt. Die einen langlebigen Neutronenabsorber enthaltenden verdünnten Legierungen 120, 124 und 125 werden gebogen, so daß sie die Neutronenabsorberstange 130 umschließen, nachdem die Stange 130 auf die Öffnungsenden der seitlichen Löcher 121 und 126 aufgepaßt worden ist, und die Neutronenabsorberstange 130 wird durch Schweißen eingeschlossen, wie in den Fig. 16A bis 16C zu sehen ist, wonach die umgebogenen Enden der Platte durch Schweißnähte verbunden sind.

Das Grundmaterial für den durch hohen Reaktivitätswert gekennzeichneten Abschnitt X₂₂ neben der Seite des unteren Einsetzendes des Abschnitts X₂₁ besteht aus einer einen langlebigen Neutronenabsorber enthaltenden verdünnten Legierung 125, ähnlich wie im Abschnitt X₂₁. Im allgemeinen ist das Ausmaß, in welchem dieser Abschnitt von Neutronen bestrahlt wird, kleiner als in dem Abschnitt X₂₁. Deshalb wird dieser Abschnitt als Zone mit niedrigerer Hafniumdichte ausgebildet, die sich unterscheidet von der oberen Einsetzendzone X₁ und dem Abschnitt X₂₁, wo eine hohe Hf- Dichte zur Erhöhung der Lebensdauer notwendig ist. Der Reaktivitätswert des Abschnitts X₂₂ ist nur geringfügig kleiner als der der Zonen X₁ und X₂₁. Das heißt: Der Abschnitt X₂₂ wird als Zone mit hohem Reaktivitätswert (Reaktivitätsäquivalent) ausgebildet.

Die innere Einsetzendzone X₃ wird in der ersten Zone X neben der durch hohe Lebensdauer und hohen Reaktivitätswert gekennzeichneten Zone X₂ niedrigerer Unterkritizität am Ende der ersten Zone X auf der Seite des unteren Einsetzendes des Flügels ausgebildet. In der Zone X₃ ist ein Spalt 131 gebildet, der sich in Breitenrichtung des Flügels erstreckt, und ein Grenzabschnitt X₃₁ bildet den Rest der Zone X₃ vom Ende der Zone auf der Seite des unteren Einsetzendes des Flügels aus in Richtung auf das obere Einsetzende. Der Grenzabschnitt X₃₁ besitzt eine Länge l₁₃ von etwa 2 bis 3 cm. Der Spalt 131 ist mit Metallwolle aus Hafnium oder dergleichen gefüllt. Der Spalt 131 besitzt eine Länge l₁₄ von beispielsweise 0,5 bis 1,5 cm in Längsrichtung des Flügels 115. Der Längenabschnitt l₁₄ dient zum Absorbieren von Expansionen und Kontaktionen, die verursacht werden durch thermische Zyklen der ersten und der zweiten Zone X und Y, oder durch Neutronenbestrahlung, und der Abschnitt hält den langlebigen Neutronenabsorber 132 innerhalb des Abschnitts X₃₁ dicht an der zweiten Zone Y, um einen Spaltabschnitt möglichst klein zu halten, welcher keinen langlebigen Neutronenabsorber enthält.

In dem Steuerstab 110 ist die zweite Zone Y auf der Seite des unteren Einsetzendes des Steuerstabs angrenz 83304 00070 552 001000280000000200012000285918319300040 0002003903844 00004 83185end an die erste Zone X in Richtung auf das untere Einsetzende des Flügels 115. In der zweiten Zone Y sind Neutronenabsorberstangen 133 innerhalb des Mantels 114 in einer Reihe angeordnet, wobei der Mantel 114 aus einer Hf-Zr-Legierung besteht. Die Stangen 133 erstrecken sich in Längsrichtung des Flügels. Jede besteht aus einem aus rostfreiem Stahl gefertigten Deckrohr mit kreisförmigen oder rechteckigem Querschnitt, und das Rohr ist mit einem Granulat oder mit Pellet aus einer neutronenabsobierenden Substanz, z. B. B₄C gefüllt.

Von den in der zweiten Zone Y angeordneten Neutronenabsorberstangen 133 können eine bis drei Stangen in der Nähe der Außenkante des Flügels 115 bei Bedarf durch Hafniumstangen ersetzt werden.

Die Anordnung von Neutronenabsorberstangen 133, die mit einer neutronenabsorbierenden Substanz wie B₄C gefüllt sind und in der zweiten Zone Y des Flügels 115 angeordnet sind, erfordert Verschlüsse, die als neutronenabsorbierende Elemente ausgebildet sind und an den oberen Enden der Neutronenabsorberstangen 133 befestigt sind. Diese Konstruktion zieht die Bildung einer Zone nach sich, wo keine Neutronenabsorber vorhanden ist, vergrößert sich der Raum zwischen der ersten Zone X und der zweiten Zone Y, die keinen Neutronenabsorber enthält, was zu einem Reaktivitätsverlust führt. Das heißt: Wenn die Länge des Raums, der keinen Neutronenabsorber enthält, erhöht wird, werden die gewünschten Eigenschaften der Neutronenabsorberstangen 133 beeinträchtigt und die nukleare Lebensdauer beeinflußt. Deshalb ist es notwendig, den genannten Raum so klein wie möglich zu halten. Im Hinblick darauf wird ein langlebiger Neutronenabsorber 132 a in der innen Einsetzendzone X₃ der ersten Zone X vorgesehen und wird an den oberen Enden der Neutronenabsorberstangen 133 fest angeordnet, um so die Größe des Spalts oder des Raums zu begrenzen.

Die Anordnung nach Fig. 13 kann wie folgt ausgestaltet werden: Für die langlebigen Neutronenabsorber-Verdünnungslegierungen 120 und 124 wird eine verdünnte Legierung verwendet, die eine spezifische Dichte von beispielsweise 9,9 und einen Hafniumanteil von 50 Gew.-% aufweist, das mit Zirkonium verdünnt ist. Dieses Material wird als Grundmaterial der oberen Einsetzendzone X₁ und des einen hohen Reaktivitätswert aufweisenden, langlebigen Abschnitts X₂₁ der ersten Zone X verwendet. Eine verdünnte Legierung mit einer spezifischen Dicht von beispielsweise 7,9 und einem Hafniumanteil von 20 Gew.-%, verdünnt mit Zirkonium, wird als langlebige Neutronenabsorber-Verdünnungslegierung 125 hergenommen für das Grundmaterial des einen hohen Reaktivitätswert aufweisenden Abschnitts X₂₂ der einen hohen Reaktivitätswert besitzenden Zone X₂. Jedes der seitlichen Löcher 126 ist mit gleichen Mittenabständen in der Zone X₂ angeordnet und mit B₄C gefüllt, während jedes der seitlichen Löcher 121 des Abschnitts X₁₂ der oberen Einsetzendzone X₁ mit Hafnium 122 gefüllt ist. In diesem Fall ergibt sich die in den Fig. 14A und 14B dargestellte Verteilung des Hafniumanteils (Hf) und des B₄C-Gehalts in dem Steuerstab 114 (Verteilung in axialer Richtung).

Hafnium ist ein langlebiges Neutronenabsorberelement. B₄C ist eine neutronenabsorbierende Substanz, die eine vergleichsweise kurze Lebensdauer, jedoch einen großen Reaktivitätswert besitzt. An der Seite des oberen Einsetzendes der ersten Zone X (in der oberen Einsetzendzone X₁ und dem Abschnitt X₂₁ der einen hohen Reaktivitätswert besitzenden Zone X₂) ist die Neutronenbestrahlungsrate hoch, und deshalb wird die Dichte des als langlebigen Neutronenabsorber enthaltenen Hf erhöht. An dem Ende der ersten Zone X auf der Seite des unteren Einsetzendes (in dem Abschnitt X₂) wird die Dichte des Hf-Anteils auf einen niedrigen Pegel begrenzt, um die Gewichtszunahme ebenso zu begrenzen wie von der Menge des Hafniums abhängigen Kostenanstieg.

Die Dichte des in der ersten Zone X enthaltenen Hf ändert sich auf der Grundlage der Verwendung und der vorgesehenen Lebensdauer des Steuerstabs. Vorzugsweise wird die Dichte des Hafniums auf 50 Gew.-% oder mehr am Ende der ersten Zone X auf der Seite des oberen Einsetzendes des Flügels eingestellt, während sie an dem anderen Ende der ersten Zone X auf der Seite des unteren Einsetzendes des Flügels auf 20 Gew.-% eingestellt wird.

Ist die Hf-Dichte viel niedriger als 20 Gew.-% an diesem Ende der ersten Zone X, wird die Reduzierung des Steuerstab- Reaktivitätswerts mit der Reduzierung der Hf-Dichte spürbar, und die Leistungsfähigkeit des Steuerstabs ist ziemlich unbefriedigend für einen Steuerstab mit einem gewünschten hohen Reaktivitätswert. Wenn die Hf-Dichte an der Seite des oberen Einsetzendes (X₁, X₂₁) niedriger als 50 Gew.-% ist, besteht die Schwierigkeit, die gewünschte lange Lebensdauer zu erreichen. Eine Reduzierung der Hf-Dichte verursacht eine relative Zunahme des Neutronenabsorbtionsfaktors gegenüber B₄C, wie aus Fig. 6B hervorgeht. Da das B₄C kein langlebiges Neutronenabsorbermaterial ist, wird die Neutronenabsorptions-Lebensdauer kürzer. Wenn die Längen des in Fig. 13 dargestellten Abschnitts (X₁₁ + X₁₂ - X₂₁), des in Fig. 18 Abschnitts (X₁₁ + X₁₂ - X′₂₁ + X′₂₂) und des in Fig. 19 gezeigten Abschnitts (X₁₁ + X₁₂ + X′₂₁ + X′₂₂) auf einen Wert von etwa ¼ von (X + Y) beschränkt werden, also auf ¼ der Gesamtlänge des Neutronenabsorberabschnitts, ist es möglich, existierende Siedewasserreaktoren nachzurüsten, indem anstelle der Hf-Zr-(Ti)- Legierung natürliches Hf-Metall zur Reduzierung des Gesamtgewichts verwendet wird. Damit lassen sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung austauschbare Elemente herstellen.

Bei dem in Fig. 13 dargestellten Beispiel ist der Anteil B₄C im allgemeinen über die gesamte Zone X₂ der ersten Zone X gleichförmig, da die mit B₄C gefüllten seitlichen Löcher die gleichen Abmessungen besitzen und mit gleichen Abständen angeordnet sind.

Im folgenden soll die Funktionsweise dieses Steuerstabs erläutert werden.

Der Steuerstab 110 hat einen solchen Aufbau, daß jeder Flügel 115 in die erste Zone X auf der Seite des oberen Einsetzendes und die zweite Zone Y benachbart zu der ersten Zone X an der Seite des unteren Einsetzendes unterteilt ist. Der langlebige Neutronenabsorber 120, in welchem die Hf-Dichte erhöht ist, befindet sich in der oberen Einsetzendzone X₁ der ersten Zone X, wo der Flügel kontinuierlich mit Neutronen bestrahlt wird, so daß diese Zone als langlebige Zone ausgebildet ist. Der durch eine lange Lebensdauer und einen hohen Reaktivitätswert gekennzeichnete Abschnitt X₂₁ der Zone X₂ ist benachbart zu der oberen Einsetzendzone X₁ auf deren dem unteren Einsetzende zugewandten Seite ausgebildet. Mehrere seitliche Löcher 126 sind in einer Reihe in Längsrichtung des Flügels innerhalb der langlebigen Neutronenabsorber-Verdünnungslegierung 124 innerhalb des Abschnitts X₂₁ ausgebildet. Die seitlichen Löcher 126 sind mit dem Neutronenabsorber 128 in Form von Granulat oder Pellets gefüllt, das bzw. die z. B. aus Borkarbid besteht, welches durch Anreichern von natürlichem Bor oder Bor-10 erhalten wird. Dadurch ist es möglich, den Reaktivitätswert des Abschnitts X₂₁ zu erhöhen, also dort, wo die Unterkritizität die Neigung hat, beim Abschalten des Reaktors geringer zu werden. Durch die Maßnahme wird also die Reaktorabschaltgrenze erhöht.

In dem durch einen hohen Reaktivitätswert und lange Lebensdauer gekennzeichneten Abschnitt X₂₁ sind die einen langlebigen Neutronenabsorber enthaltende verdünnte Legierung 124, z. B. eine Hafnium-Platte, und der Neutronenabsorber 128, z. B. B₄C, vorgesehen, um eine vielfach-hybride Struktur zum Erhöhen der Menge des neutronenabsorbierenden Materials zu bilden. Der Reaktivitätswert wird dadurch in der in den Fig. 17B und 17C dargestellten Weise verbessert, und es ist möglich, Neutronen in beiden der unterschiedlichen Typen von Neutronenabsorbern 124 und 128 zu absorbieren. Weiterhin ist der Beitrag der verdünnten Legierung 124 zu der Neutronenabsorption größer, und der Neutronenabsorptionsfaktor des anderen Neutronenabsorbers 128 verringert, wodurch ein Langzeiteinsatz oder eine Zunahme der Lebensdauer des Steuerstabs erreicht wird. Es ist also möglich, den Grad des Reaktivitätswerts um 5 bis 10% gegenüber dem Wert zu erhöhen, der bei einem herkömmlichen Steuerstab gegeben ist. Die Lebensdauer kann auf das 2,5- bis 3fache derjenigen des herkömmlichen Steuerstabs erhöht werden.

Ein Beispiels des Steuerstabs 110 nach diesem Ausführungsbeispiel, bei dem die einen langlebigen Neutronenabsorber enthaltenden verdünnten Legierungen 124 und 125, das heißt Hf-Zr oder Hf-Ti als Grundmaterial in dem metallischen Mantel 114 innerhalb der Zone X₂ der ersten Zone X verwendet werden, und bei dem die Löcher 126 in den verdünnten Legierungen 124 und 125 gleichmäßig B₄C gefüllt sind, ist im wesentlichen das gleiche wie das Beispiel in Fig. 3A. Auch die Beziehung zwischen dem Neutronenabsorptionsfaktor, der Dichte und dem Hafniumanteil in der Hf-Zr-Legierung ist im wesentlichen die gleiche wie die gemäß Fig. 3B und 3C. Deshalb soll auf die weitere Beschreibung dieses Beispiels hier verzichtet werden.

Als nächstes wird anhand der Fig. 18A und 18B eine modifizierte Form des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Steuerstabs erläutert.

Der Gesamtaufbau des Steuerstabs 110 A ist der gleiche wie der des Steuerstabs 110 in Fig. 13, mit Ausnahme der ersten Zone X. Deshalb soll die übrige Beschreibung nicht wiederholt werden. Der Flügel 115 des Steuerstabs 110 A hat den in Fig. 18A und 18B dargestellten Aufbau. Der Unterschied zwischen diesem Flügel und dem des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels besteht in der Ausgestaltung der ersten Zone X.

Bei dem urspünglichen Beispiel der zweiten Ausführungsform ist die einen hohen Reaktivitätswert aufweisende Zone X₂ innerhalb der ersten Zone X, in der sich eine einen langlebigen Neutronenabsorber enthaltende verdünnte Legierung, z. B. (Hf + Zr) in die Abschnitte X₂₁ und X₂₂ (die zum Beispiel angeschweißt sind) unterteilt ist, ist die Dichte des Hf innerhalb des Abschnitts X₂₂ auf einen niedrigen Wert eingestellt, und die in den verdünnten Legierungen 124 und 125 ausgebildeten seitlichen Löcher sind gleichförmig (haben gleiche Formen und Abmessungen und sind mit gleichen Abständen angeordnet). Das heißt, der Flügel ist so ausgebildet, daß die Lebensdauer hinsichtlich des Endes der ersten Zone X auf der Seite des oberen Einsetzendes, wo die Hf-Dichte hoch ist, verlängert ist, während der Reaktivitätswert bei dem anderen Ende dieser Zone auf der Seite des unteren Einsetzendes, wo die Hf-Dichte niedrig ist, stark verbessert ist.

Bei der modifizierten Form des zweiten Ausführungsbeispiels ist die Hafnium-Dichte in der einen langlebigen Neutronenabsorber enthaltenden verdünnten Legierung 140, die als Grundmaterial in der ersten Zone X untergebracht ist, gleichförmig, und in der verdünnten Legierung 140 sind Aufnahme- oder Gehäuselöcher (seitliche Löcher) mit unterschiedlicher Form mit verschiedenen Abständen zwischen benachbarten Löchern angeordnet, um so eine langlebige Zone und eine durch einen hohen Reaktivitätswert gekennzeichnete Zone zu erhalten. Die obere Einsetzendzone X₁ und die innere Einsetzendzone X₃ der ersten Zone X sind die gleichen wie bei dem ursprünglichen Beispiel der zweiten Ausführungsform. Die obere Einsetzendzone X₁ ist gemäß dem Konzept des ursprünglichen Ausführungsbeispiels in die Abschnitte X₁₁ und X₁₂ unterteilt.

Bei dem modifizierten Ausführungsbeispiel ist die einen hohen Reaktivitätswert aufweisende Zone X₂ innerhalb der ersten Zone X unterteilt in einen hohen Lebensdauer aufweisenden und durch einen hohen Reaktivitätswert gekennzeichneten Abschnitt X′₂₁ auf der Seite des oberen Einsetzendes dieses Abschnitts, einen Zwischenabschnitt X′₂₂, der durch einen besonders hohen Reaktivitätswert gekennzeichnet ist, und einen an der Seite des unteren Einsetzendes vorgesehenen Abschnitt X′₂₃ mit hohem Reaktivitätswert. Der Reaktivitätswert des Abschnitts X′₂₁ kann kleiner sein als der des Abschnitts X′₂₂.

Der Abschnitt X′₂₂ der einen hohen Reaktivitätswert aufweisenden Zone X₂ weist die Besonderheit auf, daß die Abstände, genauer gesagt die Schrittweiten zwischen den seitlichen Löchern (Aufnahmelöchern), geringfügig erhöht sind, um die mechanische Festigkeit der einen langlebigen Neutronenabsorber aufweisenden verdünnten Legierung (des Basismaterials) des metallischen Mantels zu erhöhen. Damit ist dieser Abschnitt so ausgebildet, daß er selbst dann eine gewisse verbesserte Belastungsfähigkeit aufweist, wenn das einen hohen Reaktivitätswert aufweisende B₄C, das als Neutronenabsorber in den seitlichen Löchern angeordnet ist, beim starken Bestrahlen mit Neutronen anschwillt. In diesem Abschnitt ist das Verhältnis von Hf zu B₄C erhöht und der Beitrag des B₄C zu dem Neutronenabsorptionsfaktor ist reduziert, so daß sich die Lebensdauer erhöht. Der Reaktivitätswert nimmt geringfügig ab, selbst wenn das Verhältnis von Hf und B₄C etwas reduziert wird. In dem Fall, daß dieser Abschnitt mit B₄C-Granulat gefüllt ist, wird die Fülldichte auf einen Wert eingestellt, der etwas kleiner ist als die ursprüngliche Dichte, beispielsweise 60% TD (theoretische Dichte) beträgt. Wenn die Fülldichte oder Packungsdichte auf diesen Wert begrenzt wird, werden die Schwellräume in den Löchern gehalten, wodurch die in den Löchern erzeugten Spannungen verringert werden und der Zeitpunkt verzögert wird, zu welchem bei der Neutronenbestrahlung die Spannungsentstehung beginnt. Diese Maßnahme wird zur Erhöhung der Lebensdauer bevorzugt.

Um die Packungsdichte des B₄C-Granulats auf einen Wert einzustellen, der 70% der theoretischen Dichte entspricht, ist es notwendig, ein Gemisch aus verschiedenen Typen von Absorbern herzustellen und einzufüllen (B₄C-Granulat oder andere Absorber), die unterschiedliche Teilchengrößen aufweisen. Wenn die Packungsdichte etwa 60% TD entspricht, ist es nicht notwendig, ein Gemisch zu verwenden, ausgenommen dann, wenn die Teilchengröße sehr groß oder sehr klein ist. Da sich die in Horizontalrichtung erstreckenden Löcher in dem Grundmaterial ausgebildet sind, besteht nicht die Möglichkeit einer nennenswerten Reduzierung des Reaktivitätswerts, weil sich das Granulat absetzt. Selbst wenn die Anordnung nicht so ausgestaltet ist, daß ein Absetzen des Granulats vermieden wird, oder falls ein Raum, der keinen Absorber wie z. B. B₄C enthält, durch das Sichsetzen des Granulats gebildet wird, absorbiert das in dem Grundmaterial enthaltene Hf wirksam Neutronen. Deshalb besteht nicht die Möglichkeit eines nennenswerten Reaktivitätswert-Verlustes oder eines Neutronenfluß-Spitzenwerts.

Der durch einen besonders hohen Reaktivitätswert gekennzeichnete Abschnitt X′₂₂ der Zone X₂ besitzt längliche Löcher, die jeweils durch Zusammenfassung mehrerer Löcher gebildet sind. Die länglichen Löcher sind mit B₄C-Granulat gefüllt. Die länglichen Löcher können unterschiedliche Form haben, einschließlich die in Fig. 12 dargestellten Formen. Die Wirksamkeit dieser Formgebungen sind dieselben, wie sie oben beschrieben werden.

Das Füllen eines länglichen Lochs mit B₄C ermöglicht das Erhöhen der Menge des als Neutronenabsorber vorhandenen B₄C und gestattet damit die Erzielung eines hohen Reaktivitätswerts. Da das Loch in axialer Richtung des Steuerstabs länglich ist, wird die Hf-Dichte des Grundmaterials wesentlich niedriger, und der Beitrag des Hf zu der Neutronenabsorption nimmt ab, jedoch steigt der Beitragsfaktor des B₄C zu der Neutronenabsorption stark an, so daß ein hoher Reaktivitätswert erzielt wird. Eine nennenswerte Reduzierung der Hf-Dichte ist im Hinblick auf die Lebensdauer unerwünscht. Im Abschnitt X′₂₂ jedoch ist die Neutronenbestrahlungsrate im allgemeinen geringer als in der oberen Einsetzendezone X₁ und der durch einen hohen Reaktivitätswert und hohe Lebensdauer gekennzeichneten Zone X′₂₁, und daher besteht nicht die Möglichkeit, daß eine Reduzierung der Hf- Dichte zu wirklichen Problemen führt. Damit kann durch dieses Ausführungsbeispiel das Gewicht ebenso verringert werden wie die Kosten der Herstellung.

In dem einen hohen Reaktivitätswert aufweisenden Abschnitt X′₂₃ der Zone X₂ ist die Neutronenbestrahlungsrate geringer als in dem einen besonders hohen Reaktivitätswert aufweisenden Abschnitt X′₂₂, und es ist nicht nötig, den Reaktivitätswert des Abschnitts X′₂₃ so hoch zu machen wie im Abschnitt X′₂₂. Deshalb wird für den einen hohen Reaktivitätswert aufweisenden Abschnitt X′₂₃ die Langlochstruktur nicht verwendet. Der Lochabstand wird geringfügig herabgesetzt. Die B₄C-Packungsdichte wird im Vergleich zu der herkömmlichen Ausgestaltung etwas erhöht. Dieser Abschnitt kann in der üblichen Weise ausgestaltet sein, wenn der Reaktorkern einem bestimmten Typ entspricht. In der Zeichnung ist mit dem Bezugszeichen 143 und mit 142 eine Stützanordnung bezeichnet.

Bei dieser Ausgestaltung bildet die erste Zone X eine durch hohe Lebensdauer und einen besonders hohen Reaktivitätswert gekennzeichnete Zone, und insbesondere die obere Einsetzendzone X₁ und die obere Einsetzendzone X′₂₁ der Zone X₂ bilden eine langlebige Zone.

Die Packungsdichte, mit der das B₄C in jedem seitlichen Loch der verdünnten Legierung 140 eingefüllt ist, kann 30 bis 65% der theoretischen Packungsdichte an der Seite des Einsetzendes betragen, wo die Neutronenbestrahlungsrate besonders hoch ist. Bei den existierenden Steuerstäben hat die Packungsdichte des B₄C-Granulats einen Wert von 70% TD ± 5% TD, und es wird angenommen, daß die Neutronenbestrahlungsrate bezüglich einer konstanten Anschwellspannung um 20% mit der Änderung der B₄C-Granulat-Packungsdichte von etwa 5% schwankt. Das Ausmaß der Änderung der Schwellspannungen ist nicht immer definiert, da es auch von der speziellen Größe des B₄C-Granulats abhängt, man kann aber die Zeit, zu der das Anschwellen stattfindet, durch Reduzieren der Dichte verzögern.

Wenn in der in den Fig. 12A bis 12G dargestellten Weise seitliche Löcher in den verdünnten Legierungen 140 A bis 140 G gebildet sind, besteht im Grunde genommen kein Problem, daß sich das B₄C-Granulat absetzt. Es ist möglich, eine gewisse Reduzierung der Packungsdichte zu erreichen. Wenn die Packungsdichte des B₄C-Granulats auf 70% TD wie in der herkömmlichen Anordnung eingestellt wird, ist es notwendig, B₄C-Körner unterschiedlicher Teilchengröße zu mischen. Wenn die Packungsdichte auf einen Wert gleich oder niedriger als etwa 60% eingestellt wird, reicht es aus, B₄C-Granulat mit gleichförmiger Korngröße zu verwenden. Eine solche Wahl macht die Überwachung einer besonderen Teilchengröße überflüssig und hilft, die Kosten zu senken.

Wenn die Packungsdichte des B₄C-Granulats geringer als 30% TD ist, wird bei der Reaktion mit Neutronen das B-10 schneller verbraucht. Deshalb eignet sich dieser Wert nicht dazu, die Lebensdauer zu verlängern. Es ist schwierig, das Problem des Sich-Absetzens bei einer niedrigen Packungsdichte zu vermeiden. Es ist aber einfach, diesem Problem dadurch zu begegnen, daß man die Teilchengröße reduziert, solange die Dichte des B₄C-Granulats mehr als 30% TD entspricht.

Fig. 19A und 19B zeigen einen weiteren Typ des Steuerstabs 110 als modifizierten Steuerstabs 110 B.

In dem Metallmantel 114 des aus einer Hf-Zr-Legierung bestehenden Flügels 115 des Steuerstabs 110 B sind Aufnahmeräume gebildet, in denen jeweils langlebige Neutronenabsorber enthaltende verdünnte Legierungen 150 und 151 über die gesamte Flügellänge zwischen dem oberen Einsetzende und dem unteren Einsetzende untergebracht sein können. Wie aus den Fig. 19A und 19B hervorgeht, sind die Legierungen 150 und 151 in der ersten Zone X bzw. der zweiten Zone Y verteilt. Die verdünnte Legierung 150 in der ersten Zone X ist im wesentlichen die gleiche wie die verdünnte Legierung 140 in der ersten Zone X bei der Ausführungsform nach Fig. 18, nur daß hier die innere Einsetzendzone X₃ fehlt. Die entsprechenden Komponenten hier und dort sind mit entsprechenden Bezugszeichen (Symbolen) versehen, so daß die bereits beschriebenen Komponenten nicht nochmals erläutert werden.

Eine verdünnte Legierung, hergestellt durch Verdünnen eines langlebigen Neutronenabsorbers, wie z. B. Hafnium, mit einem Verdünnungsmaterial, z. B. Zirkonium, wird als einen langlebigen Neutronenabsorber enthaltende verdünnte Legierung 151 für die zweite Zone Y verwendet. Der Hafniumanteil in der verdünnten Legierung 151 ist höher als 2 Gew.-%. Der verdünnten Legierung 151 ist beispielsweise natürliches Zirkonium praktisch äquivalent. Natürliches Zirkonium enthält etwa 2,5 bis 3,0 Gew.-% Hafnium. In der Legierung 151 sind als Aufnahme- und Gehäuselöcher seitliche Löcher ausgebildet, die mit einem Neutronenabsorber 152 gefüllt sind, z. B. mit B₄C, welches sich von dem langlebigen Neutronenabsorber unterscheidet.

Der in dem Flügel 115 des Steuerstabs 110 B gebildete Neutronenabsorber- Füllhorn ist nicht notwendigerweise unterteilt in die erste Zone X und die zweite Zone Y, wie es in den Fig. 19A und 19B gezeigt ist. Stattdessen kann der Neutronenabsorber- Füllraum mit im wesentlichen den gleichen, einen langlebigen Neutronenabsorber enthaltenden verdünnten Legierungen über die gesamte Länge des Raums von dem oberen Einsetzende zu dem unteren Einsetzende hin gefüllt sein. In diesem Fall kann die verdünnte Legierung einstückig über die gesamte Länge ausgebildet sein oder kann in mehrere Abschnitte unterteilt sein. Auch kann die verdünnte Legierung untergebracht sein, ohne daß zumindest der obere oder der unteren Endabschnitt des Neutronenabsorber-Füllraums tatsächlich gefüllt ist. Sämtliche seitlichen Löcher, die als Aufnahmelöcher in der verdünnten Legierung ausgebildet sind, können mit einem beispielsweise aus B₄C bestehenden Neutronenabsorber gefüllt sein, wie in den Fig. 19A und 19B gezeigt ist.

In diesem Fall kann die langlebige Neutronenabsorber-Verdünnungslegierung, die in den Neutronenabsorber-Füllraum über dessen gesamten Bereich eingefüllt ist, eine Legierung sein, die gebildet wird durch Verdünnen eines langlebigen Neutronenabsorbers, wie Hafnium, mit einem Verdünner, wie Zirkonium oder Titan. Wenn diese Legierung aus Hafnium und Zirkonium besteht, beträgt der Anteil des Hafniums beispielsweise 10 Gew.-%. Wenn die Legierung aus Hafnium und Titan besteht, beträgt der Hafniumanteil beispielsweise etwa 30 Gew.-%.

Fig. 20A und 20B zeigen einen Reaktor-Steuerstab 110 C, der eine weitere modifizierte Ausgestaltung des zweiten Ausführungsbeispiels darstellt. Der metallische Mantel 114 des Steuerstabs 110 C, der den Flügel 115 bildet, besteht aus einer Hf-Zr-Legierung oder aus einer Hf-Ti-Legierung. Die Hf-Dichte beträgt im erstgenannten Fall beispielsweise 20 %, im letztgenannten Fall z. B. 30 Gew.-%. Die Hf-Dichte ist in axialer Richtung des Steuerstabs 110 C gleichförmig.

In dem metallischen Mantel 114 sind einander gegenüberliegend paarweise Hf-Platten 155 und 156 angeordnet, wodurch sogenannte Neutronenfluß-Fallen gebildet werden. In die Spalte zwischen den Plattenpaaren kann während des Betriebs Wasser eintreten.

Der Reaktor-Steuerstab 110 C wird an der Seite des oberen Einsetzendes mit höherer Rate mit Neutronen bestrahlt, und der entsprechende Abschnitt des Steuerstabs 110 C muß hinsichtlich des Reaktivitätswertes (Reaktivitätsäquivalents) stark verbessert werden. Die Dicke der Paare von Hf-Platten, die einander gegenüberliegen, ist vom oberen Ende zu dem unteren Einsetzende hin verringert. Es ist nicht notwendig, zwischen dem unteren Einsetzende und einer Stelle, die davon einen Abstand von z. B. ½ bis ¼L vom unteren Einsetzende aus hat, überall Hf-Platten einzusetzen. In dieser Zone dient lediglich das in dem metallischen Mantel 114 enthaltene Hf als Neutronenabsorber.

In den metallischen Mantel 114 einlaufendes Kühlwasser fließt im Inneren des Mantels und innerhalb des Spalts zwischen den gegenüberliegenden Hf-Platten zu dem oberen Einsetzende hin und gelangt anschließend aus dem Steuerstab hinaus. Im Prinzip ist der Steuerstab so aufgebaut, daß das Kühlwasser mit einer solchen Durchflußmenge fließen kann, daß im Inneren des Steuerstabs ein Sieden des Wassers vermieden wird.

Fig. 21A und 21B zeigen eine weitere Variante eines Reaktor- Steuerstabs 110 D gemäß der zweiten Ausführungsform.

Grundsätzlich ist der Steuerstab 110 D ähnlich aufgebaut wie der in den Fig. 20A und 20B gezeigte Steuerstab 110 C. Der Steuerstab 110 D unterscheidet sich von dem Steuerstab 110 C darin, daß er Löcher aufweist, die in einer Hf-Zr-Legierungs- Platte 157 in einem Bereich (Abschnitt X₂) gebildet sind, in welchem ein stark verbesserter Reaktivitätswert gewünscht ist, un die mit B₄C gefüllt sind. Außerdem sind Hf-Platten oder Platten aus einer Hf-Zr- (oder Hf-Ti)- Legierung als Platten 159 einander gegenüberliegend mit einem gewissen Spalt zwischen sich am oberen Einsetzende eingesetzt. Da der Abschnitt X₁ am oberen Einsetzende hinsichtlich des Reaktivitätswerts nicht stark verbessert werden muß, und da in diesem Abschnitt die Neutronenbestrahlungsrate besonders hoch ist, werden anstelle des B₄C, das eine vergleichsweise kürzere Neutronenlebensdauer aufweist, die Platten 159 aus Hf, die eine lange Lebensdauer besitzen, bevorzugt verwendet, wobei die Platten einen gewissen Spalt zwischen sich aufweisen. Die Ausgestaltung eines einen hohen Reaktivitätswert aufweisenden Abschnitts (Abschnitt X₂) ist im wesentlichen die gleiche wie die des Abschnitts X₂) nach Fig. 18.

Das Bezugszeichen 160 bezeichnet einen Neutronenabsorber wie B₄C, das Bezugszeichen 161 einen langlebigen Neutronenabsorber wie zum Beispiel Hafnium.

Fig. 22A und 22B zeigen einen Steuerstab 110 E als weitere Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels.

Die Abschnitte X₁ und X₂ des Steuerstabs 110 E sind im wesentlichen die gleichen wie die, die in Fig. 21A und 21B gezeigt sind.

Bei dem Steuerstab 110 E sind Neutronenabsorberstangen 162 herkömmlicher Ausgestaltung in Form von Metallrohren, die mit B₄C gefüllt sind, an der Seite des unteren Einsetzendes angeordnet. Normalerweise sind die Metallrohre aus rostfreiem Stahl hergestellt, sie können jedoch auch einem anderen Metall ebenfalls bestehen, z. B. aus einem Hf-Metall, einer Hf-Zr-Legierung, einer Hf-Ti-Legierung oder dergleichen.

Der Steuerstab 110 E unterscheidet sich von den anderen Ausführungsformen darin, daß der Verbindungsstab in Abschnitte unterteilt sind, die sich im Inneren der Flügel befinden, und die von einem Verbindungselement 163 an gewünschten Intervall- Abschnitten verbunden sind, während die ersten Ausführungsbeispiele ein Element in der Mittelachse des Steuerstabs aufwiesen.

Fig. 23 zeigt einen Reaktor-Steuerstab, der eine dritte Ausführungsform der Erfindung verkörpert. Das Aussehen insgesamt ist im wesentlichen das gleiche wie das eines herkömmlichen Steuerstabs und wie das der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele.

Nach Fig. 23 besitzt ein Steuerstab 210 Flügel 211, von denen jeder unterteilt ist in eine erste Zone mit einer oberen Einsetzendzone Xa am oberen Einsetzende und am äußeren Kantenbereich des Flügels, wo dieser stärker mit Neutronen bestrahlt wird, und die sehr stark beiträgt zu dem gewünschten Reaktivitätswert, und eine zweite Zone oder eine einen hohen Reaktivitätswert aufweisende Zone Ya, die der ersten Zone benachbart ist, und wo sie Unterkritizität während des Abschaltens des Reaktors geringer wird, und schließlich eine dritte Zone Za auf der Seite des unteren Einsetzendes des Flügels und benachbart zu der einen hohen Reaktivitätswert aufweisenden Ya. Jeder Flügel 211 des Steuerstabs 210 besitzt mehrere seitliche Löcher oder Gehäuselöcher (Aufnahmelöcher) 217, 218 und 219, die zwischen dem oberen Einsetzende und dem unteren Einsetzende des Flügels derart angeordnet sind, daß sie sich in Breitenrichtung des Flügels erstrecken.

Die obere Einsetzendzone Xa ist der ersten Zone des Flügels 211 erstreckt sich von dem oberen Einsetzende der effektiven axialen Länge L des Steuerstabs in Richtun auf das untere Einsetzende des Steuerstabs, und zwar um etwa 5 bis 32 cm. Insbesondere besitzt die obere Einsetzendzone Xa eine Länge von etwa 5 bis 16 cm unterhalb des oberen Einsetzendes. In der oberen Einsetzendzone Xa ausgebildete Aufnahmelöcher 217 und ein an einem äußeren Randbereich des Flügels befindliches Längsloch sind mit langlebigen Neutronenabsorbern 220 und 221 gefüllt, z. B. mit einem Material, welches Hafnium enthält. Der Steuerstab 210 besitzt entlang der Innenkante des Flügels 211 einen Spalt, der mit Wasser gefüllt ist. Wenn dieser Spalt groß ist, wird die Zunahme des Flusses thermischer Neutronen beträchtlich. Aus diesem Grund kann entlang der Innenkante des Flügels 211 in einer Zone, die sich von der Innenkante aus um etwa 0,5 bis 1,5 cm nach außen erstreckt, und die sich von dem oberen Einsetzende aus um etwa 15 bis 40 cm zum unteren Einsetzende hin erstreckt, ein langlebiger Neutronenabsorber vorgesehen sein.

Die Breite l₂₅ derjenigen Zone des äußeren Flügelkantenbereichs der ersten Zone, in der sich der langlebige Neutronenabsorber 221 befindet, kann etwa 1 bis 2 cm betragen. In dem Steuerstab, der hauptsächlich hinsichtlich des Reaktivitätswerts stark verbessert werden soll, ist der Reaktivitätswert des langlebigen Neutronenabsorbers 221 für gewöhnlich kleiner als der von B₄C. Deshalb kann die Breite l₂₅ etwa 0,5 cm betragen. Die Länge l₂₁ der Zone mit der Breite l₂₅ kann kleiner sein, wenn der Steuerstab hauptsächlich hinsichtlich des Reaktivitätswerts stark verbessert werden soll. Allerdings ist es notwendig, die Länge l₂₁ auf einen Wert einzustellen, der gleich oder größer ist als ¼ der effektiven axialen Länge L, falls der Steuerstab hauptsächlich dazu ausgelegt ist, eine Reaktorregelung zu bewirken, indem er während des Betriebs in den Reaktorkern eingeführt oder eingesetzt wird. Wenn die sich auf die Verwendung des Steuerstabs beziehende Spezifikation nicht definitiv bestimmt werden kann, kann die Breite l₂₅ auf etwa 0,5 bis 1 cm eingestellt werden, während (l₂₄ - l₂₃) auf ½L eingestellt wird, um jegliche Verminderung des Reaktivitätswerts und damit die Erreichung des Ziels einer beträchtlichen Verbesserung des Reaktivitätswerts zu vermeiden. Die Außenkante jedes Flügels 211 ist beispielsweise durch Schweißen verschlossen, um die Öffnungen der Aufnahmelöcher mit dem langlebigen Neutronenabsorber 221 zu verschließen.

Die langlebigen Neutronenabsorber 220 und 221 liegen als Festmaterial, z. B. in Granulatform, vor. Eine oder zwei Substanzen können aus den nachstehend angegebenen Substanzen ausgewählt werden als langlebige Neutronenabsorber 220 und 221: Hafnium-Metall, Hafnium-Zirkonium-Legierung, Hafnium-Titan-Legierung, Silber-Indium-Cadmium-Legierung, Europiumoxid, Dysprosiumoxid, Samatiumoxid und dergleichen. Die optimale Kombination dieser Substanzen bestimmt sich in Anbetracht der Intensität der Neutronenstrahlung, der Betriebszeitspanne und dergleichen.

Die Kapazität jedes der Aufnahmelöcher 218 in der zweiten Zone Ya des Flügels 211 bezüglich der Einheitslänge in Längenrichtung des Flügels erhöht sich relativ zu den Kapazitäten der Aufnahmelöcher der oberen Einsetzendzone Xa und der dritten Zone Za, um den Reaktivitätswert des Steuerstabs 210 heraufzusetzen. Jedes Aufnahmeloch 218 innerhalb der zweiten Zone Ya ist in axialer Richtung des Steuerstabs länglich ausgebildet, um die Menge des eingefüllten Neutronenabsorbers, z. B. B₄C, zu erhöhen und damit den Reaktivitätswert einer Zone zu verbessern, in der die Unterkritizität während des Abschaltvorgangs des Reaktors geringer wird, um so eine hohe Reaktivität zu erreichen.

Die Zone, in der die Unterkritizität während des Abschaltens des Reaktors niedriger wird, wird innerhalb der zweiten Zone Ya gebildet, wo der Flügel mit Neutronen in einer vergleichsweise hohen Bestrahlungsrate beaufschlagt wird, wobei diese Rate jedoch wesentlich niedriger ist als in der oberen Einsetzendzone Xa. Aus diesem Grund ist es möglich, als für eine starke Verbesserung des Reaktivitätswerts geeigneten Neutronenabsorber B₄C einzusetzen, obschon dessen Verwendung nachteilig ist im Hinblick auf die Zunahme der Lebensdauer. Um den Reaktivitätswert weiter zu verbessern, kann eine Borverbindung, z. B. durch Anreicherung von Bor-10 gewonnenes B₄C, Bornitrid oder Europiumhexaborid (EuB₆). Es ist möglich, sowohl eine bedeutende Verbesserung des Reaktivitätswerts als auch eine Zunahme der Lebensdauer zu erreichen, wenn man Europiumoxid als Hauptneutronenabsorber zusammen mit einem borfreien Neutronenabsorber verwendet. Allerdings ist Europiumoxid teuer und eignet sich nicht für eine starke Verbesserung des Reaktivitätswerts im Vergleich zu angereichertem Bor. Deshalb wird vorzugsweise die Verwendung von Europiumoxid beschränkt auf einen Abschnitt der einen hohen Reaktivitätswert aufweisenden Zone (zweiten Zone) Ya benachbart zu oder in der Nähe von der oberen Einsetzendzone Xa.

In diesem Steuerstab ist es möglich, die Menge von Neutronenabsorber von einem Typ mit besonders hoher Reaktivität (typischerweise B₄C) zu erhöhen, indem man die Aufnahmelöcher 218 innerhalb der zweiten Zone Ya in axialer Richtung des Steuerstabs länglich ausbildet.

Die Menge des in die Aufnahmelöcher 218 eingefüllten Neutronenabsorbers 223 innerhalb der zweiten Zone Ya und der Reaktivitätswert (relativer Wert) dieses Absorbers schwanken mit Änderungen des Abstands zwischen den Mitten der Gehäuselöcher 218 (Schrittweite zwischen den Löchern), wie es in Fig. 24B gezeigt ist, vorausgesetzt der Durchmesser der Aufnahmelöcher 218 ist konstant.

Gemäß einem typischen Beispiel für diese Ausgestaltung eines Steuerstabs beträgt die Dicke t der Platte 8 mm, der Durchmesser d der Löcher 6 mm und der Abstand zwischen den Mitten der Löcher (Schrittweite oder Teilung p) 8 mm. Wenn die Schrittweite p unter dieser Bedingung geändert wird, ändert sich die Menge des Neutronenabsorbers mit dem Reaktivitätswert in der in Fig. 24B dargestellten Weise. Hinsichtlich des Durchmessers der Aufnahmelöcher entsprechend deren Abstand ist die Menge des Neutronenabsorbers 1,3mal so hoch wie bei der herkömmlichen Anordnung. Wenn die Gehäuselöcher einander überlagert werden, d. h. wenn die Platte in zwei Teile unterteilt wird, die jeweils eine Dicke von (t-d) /2 aufweisen, so daß der Neutronenabsorber beim Einfüllen eine flache Schicht bildet (wenn die Anzahl von Löchern die Grenze erreicht), wird die Menge des Neutronenabsorbers 1,7mal so groß. Ein Beispiel für eine Kennlinie der relativen Änderung des Reaktivitätswerts ist in Fig. 24B durch die doppelpunkt-gestrichelte Linie in Fig. 24B dargestellt, obschon die Kennlinie nicht als abhängig von der Menge des Neutronenabsorbers behandelt werden kann, da sie beeinflußt wird durch die Konstruktion des Kerns, dem Brennstoff-Anreicherungsfaktor, der Breite des Wasserstabs, der brennbaren Gifte und dergleichen. Bei diesem Beispiel wird eine Zunahme von 4% erreicht, wenn die Gehäuselöcher nebeneinander ohne Überlappung (p = d) angeordnet sind, während eine Zunahme von etwa 7,5% möglich ist, wenn die Gehäuselöcher einander überlagert sind.

In der Praxis kann der Steuerstab 210 nicht so aufgebaut sein, daß die Platte, welche den Flügel 211 bildet, vollständig unterteilt ist. Die Platte wird notwendigerweise derart konstruiert, daß sie zwei äußere Wandabschnitte und einige Unterteilungsabschnitte aufweist, die die Wände durchgehend verbinden. Es gibt also keine Möglichkeit für einen Lochabstand p = 0. Um den Abstand oder die Schrittweite p zu verkleinern, kann man von der in Fig. 23 skizzierten Maßnahme Gebrauch machen, gemäß der einige benachbarte Gehäuselöcher in Gruppen zusammengefaßt werden, wobei der Abstand p zwischen den gruppenweise angeordneten Löchern reduziert ist, während ein Teil des Grundmaterials (des Flügels) sich zwischen benachbarten Gruppen hindurch erstreckt. Dadurch erhält man einen effektiven Abstand p = 4 mm bis p = 5 mm (d = 6 mm).

Diese Ausgestaltung gestattet eine Erhöhung des Reaktivitätswerts um etwa 5%, wie in Fig. 24B gezeigt ist. Dies ist ein Beispiel für die Erhöhung des Reaktivitätswertes gemäß der Erfindung, wobei die Verteilung der Unterkritizität in Axialrichtung des Steuerstabs während des Abschaltens des Reaktors verbessert wird und über die axiale Länge gleichmäßig gemacht wird, indem die Ausbildung jeglicher Zonen verhindert wird, in denen die Unterkritizität beträchtlich absinkt, wie in Fig. 17 dargestellt ist.

In der dritten Zone Za des Flügels 211 ist in die Gehäuselöcher 219 ein Neutronenabsorber 225 wie z. B. B₄C eingefüllt. In der dritten Zone Za ist es nicht notwendig, den Reaktivitätswert bei einigen der Gehäuselöcher 219 zwischen dem unteren Einsetzende und einer Stelle, die davon einen Abstand von L /2 aufweist, zu erhöhen, und diese Löcher können daher als Gasräume dienen, ohne daß sie mit irgendeinem Neutronenabsorber gefüllt sind. In diesem Fall ist es zu bevorzugen, eine Auswahl benachbarter Aufnahmelöcher 219 als Gaskammern zu vermeiden.

Aufbau und Form der Aufnahmelöcher in der zweiten Zone Ya des Flügels 211 können in der in Fig. 12 skizzierten Weise gewählt werden. Die Wirkungsweise einer solchen Konstruktion und Formgebung sind im wesentlichen die gleichen wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Fig. 25 zeigt einen Steuerstab, der eine weitere Ausführungsform der Erfindung darstellt. Das gesamte Erscheinungsbild dieses Steuerstabs ist im wesentlichen das gleiche wie das des herkömmlichen Steuerstabs und des oben beschriebenen Steuerstabs.

Nach Fig. 25 ist jeder Flügel 302 eines Steuerstabs 301 durch eine erste Zone und eine zweite Zone gebildet. Die erste Zone erstreckt sich von dem oberen Einsetzende des Flügels 302 aus in axialer Richtung des Steuerblatts über ¼ bis ¾ der Länge L, die der gesamten axialen Länge des Reaktorkerns entspricht. Die zweite Zone erstreckt sich von dem unteren Ende der ersten Zone aus zu dem unteren Einsetzende des Flügels 302 hin. Die erste und die zweite Zone sind innerhalb eines Bereichs l₃₁ bzw. eines Bereichs l₃₂ gemäß Fig. 25 definiert, und sie sind hinsichtlich der Lebensdauer und des Reaktivitätswerts verbessert. Der Reaktivitätswert der ersten Zone ist besonders hoch.

Die erste Zone l₃₁ ist in einen Abschnitt Xb sehr hoher Bestrahlung, wo die Neutronenbestrahlung besonders hoch ist, und eine Zone Yb weniger hoher Bestrahlung, in der die Neutronenbestrahlung nicht so hoch ist, unterteilt. Deshalb ist unter Berücksichtigung der Neutronenbestrahlungsrate in der ersten Zone l₃₁ ein Neutronenabsorber in effektiver Weise vorgesehen.

Wie aus den Fig. 25, 26A und 27A bis 27E hervorgeht, ist eine Vielzahl von Gehäuse- oder Aufnahmelöchern 305 in dem Flügel 302 derart ausgebildet, daß sich die Löcher in Breitenrichtung des Flügels erstrecken, wobei die Löcher in Axialrichtung des Steuerstabs eine Reihe bilden. Die erste Zone l₃₁ ist unterteilt in einen Abschnitt l₃₃, in welchem Gaskammern gebildet sind, einen Abschnitt l₃₄, in dem ein langlebiger Neutronenabsorber eingefüllt ist, einen Abschnitt l₃₅, in den ein einen hohen Reaktivitätswert aufweisender Neutronenabsorber gefüllt ist, und einen Abschnitt l₃₆, in dem ein langlebiger Neutronenabsorber eingefüllt ist.

Von diesen Abschnitten entsprechend die Abschnitte l₃₃, l₃₄ und l₃₆ der Zone Xb hoher Bestrahlung, während der Abschnitt l₃₅ der Zone Yb geringerer Bestrahlung entspricht.

In der ersten Zone l₃₁ befindet sich der Abschnitt l₃₃ am oberen Einsetzende, und die in dem Abschnitt l₃₃ gebildeten Aufnahmelöcher 305 dienen als Gaskammern für Heliumgas, welches erzeugt wird durch die Reaktion zwischen Neutronen und einem Neutronenabsorber 307, der in dem Abschnitt l₃₅ eingefüllt ist, und anderen Stoffen.

Der Grund dafür liegt darin, daß es nicht immer notwendig ist, einen Neutronenabsorber in dem Abschnitt l₃₃ vorzusehen, wo keine Notwendigkeit für einen besonders hohen Reaktivitätswert während des Abschaltens des Reaktors besteht. Diese Ausgestaltung eignet sich besonders in dem Fall, in welchem Hafnium oder eine Hafniumlegierung als Grundmaterial 312 für den Flügel verwendet wird. Bei der genannten Hafniumlegierung handelt es sich zum Beispiel um einen Legierung aus Hafnium und Zirkonium oder aus Hafnium und Titan.

Wie in Fig. 26B gezeigt ist, kann in dem Abschnitt l₃₃ ein langlebiger Neutronenabsorber in Form eines Paares einander gegenüberliegender Platten 309 vorgesehen sein, so daß die voneinander in Dickenrichtung des Flügels 302 beabstandeten Platten einen Spalt 310 bilden. Die Neutronenabsorberplatten 309 sind mit Wasserdurchgangslöchern 311 ausgestattet, so daß Kühlwasser durch den Spalt 310 laufen kann. Diese Ausgestaltung gewährleistet, daß die Geschwindigkeit der abgestrahlten Neutronen durch den Verlangsamungseffekt des den Spalt 310 füllenden Kühlwassers reduziert werden, und daß die verzögerten epithermischen Neutronen und die thermischen Neutronen wirksam in den Neutronenabsorberplatten 309 absorbiert werden.

Der Abschnitt l₃₄ befindet sich zwischen dem Abschnitt l₃₃ und dem Abschnitt l₃₅. An der Stelle des Abschnitts l₃₃ ist die Neutronenbestrahlungsrate hoch, und der gewünschte Reaktivitätswert ist nicht klein. Ein langlebiger Neutronenabsorber 306, wie zum Beispiel Hafnium, ist aus diesem Grund in die Gehäuselöcher 305 eingefüllt. Der langlebige Neutronenabsorber 306 kann aus folgenden von Hafnium verschiedenen Substanzen ausgewählt sein: Hafniumlegierungen wie z. B. eine Hafnium-Zirkonium-Legierung; eine Silber-Indium- Cadmium-Legierung; Europiumoxid (Eu₂O₃); Europiumhexaborid (EuB₆); Dysproiumoxid (Dy₂O₃) und dergleichen. Dieses Ausführungsbeispiel ist insoweit dem vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ähnlich. Der Grund dafür, daß der langlebige Neutronenabsorber 306 in der Zone l₃₄ vorgesehen wird, ist der, daß eine gute Möglichkeit für das Auftreten kleiner Neutronenfluß-Spitzen in dieser Zone besteht. Der langlebige Neutronenabsorber 306 ist zum Beispiel in eines oder in zwei der Gehäuselöcher 305 eingefüllt.

Der Abschnitt l₃₅ befindet sich am Ende der ersten Zone l₃₄ an der Seite des unteren Einsetzendes des Flügels, und er entspricht der Zone weniger starker Bestrahlung, Yb. Die Unterkritizität bezüglich des Abschnitts l₃₅ wird während des Abschaltens des Reaktors geringer, nachdem der Reaktor über einen längeren Zeitraum hin in Betrieb war. In den Aufnahmelöchern 305 des Abschnitts l₃₅ befindet sich ein durch einen hohen Reaktivitätswert gekennzeichneter Neutronenabsorber 307. Beispielsweise wird der Neutronenabsorber 307 ausgewählt aus Borverbindungen, die man durch Anreichern natürlichen Bors (B) oder Bor-10 (¹⁰B) erhält, zum Beispiel Borkarbid (B₄C) oder Europiumhexaborid (EuB₆). Wenn in die Aufnahmelöcher 305 des Abschnitts l₃₅ Borkarbid gefüllt wird, wird die Packungsdichte vorzugsweise auf 30 bis 65% der theoretischen Dichte eingestellt, um dem Anschwellen ebenso Rechnung zu tragen wie der Wirtschaftlichkeit.

Der Abschnitt l₃₆ ist in der ersten Zone l₃₁ entlang der Außenkante des Flügels 302 vorgesehen und in der Zone hoher Bestrahlung, Xb, enthalten. In dem Abschnitt l₃₆ befindet sich ein langlebiger Neutronenabsorber 308, z. B. Hafnium. Der Abschnitt l₃₆ ist nicht nötig, wenn sichergestellt ist, daß der Steuerstab nur zum Abschalten des Reaktors verwendet wird. Wenn der Absorberstab zum Regeln des Reaktors verwendet wird, indem der Steuerstab während des Betriebs in den Kern eingesetzt wird, ist es notwendig, einen langlebigen Neutronenabsorber im Abschnitt l₃₆ mit einer Breite von 1 bis 2 cm vorzusehen, da der Flügel während des Betriebs einer starken Neutronenbestrahlung ausgesetzt ist.

Das Erhöhen der Breite des Abschnitts l₃₆ läuft der Ausgestaltung zur Verbesserung des Reaktivitätswerts zuwider, da der Reaktivitätswert eines langlebigen Neutronenabsorbers, wie zum Beispiel Hafnium, für gewöhnlich geringer ist als der eines durch einen hohen Reaktivitätswert gekennzeichneten Absorber, wie zum Beispiel Borkarbid. Vorzugsweise wird deshalb für die Breite des Abschnitts l₃₆ ein Wert von etwa 1 bis 2 cm gewählt. Wenn nicht klar ist, ober der Absorberstab während des Betriebs des Reaktors benutzt wird oder nicht, wird die Breite des Abschnitts l₃₆ auf einen Wert von 0,5 bis 1 cm eingestellt, wobei dieser Wert ausreicht, die Lebensdauer des Absorberstabs wirksam zu erhöhen.

Zwischen dem langlebigen Neutronenabsorber 308 im Abschnitt l₃₆ und den in den Aufnahmelöchern 305 vorhandenen Neutronenabsorbern 306 und 307 befindet sich ein schmaler, gasdurchlässiger Spalt, durch den das Ausweichen von Gas, z. B. Helium, welches durch die Reaktion zwischen Neutronen und Neutronenabsorber 307, z. B. Borkarbid, in den Gehäuselöchern des Abschnitts l₃₅ zu den Gaskammern im Abschnitt l₃₃ möglich ist. Dieser sehr kleine Spalt macht es möglich, den durch die Erzeugung von Helium entstehenden Druck ebenso zu reduzieren wie das Anschwellen einzuschränken, um dadurch die mechanische Lebensdauer des Absorberstabs zu erhöhen.

Wenn in dem Abschnitt l₃₆ Hafnium vorgesehen ist, werden die Neutronenabsorber 306 und 307 zuerst in die Aufnahmelöcher 305 gefüllt, es wird eine Hafniumstange mit halbkreisförmigem Querschnitt anschließend an den Enden der Gehäuselöcher auf der Seite der Außenkante des Flügels angebracht, um ein Entweichen von Borkarbid oder dergleichen im Abschnitt l₃₅ zu verhindern, und dann wird die Hafniumstange mit dem Flügel- Grundmaterial 312 umkleidet. Die verschließenden Enden werden von außen verschweißt.

Damit befindet sich eine große Menge von Neutronenabsorbern 306 und 307 in der ersten Zone l₃₁, wordurch ein hoher Grad an Reaktivitätswert erzielt wird. Um den Reaktivitätswert weiter zu verbessern, können verschiedene Modifikationen vorgesehen werden, wie sie zum Beispiel in den Fig. 12A bis 12G dargestellt sind.

Als Mantel-Grundmaterial 312 in der ersten Zone l₃₁ kann entweder rostfreier Stahl, Hafnium oder eine Hafniumlegierung verwendet werden. Erfindungsgemäß werden die Neutronenabsorptionsfaktoren der Neutronenabsorber 306 und 307 auch bei einem länger dauernden Betrieb nicht reduziert, da die Menge der Neutronenabsorber 306 und 307 in den Gehäuselöchern 305 innerhalb der ersten Zone l₃₁ sehr groß ist, wodurch eine ausreichende Zunahme der Lebensdauer auch dann erreicht wird, wenn als Flügel-Grundmaterial rostfreier Stahl verwendet wird.

Wenn als Flügel-Grundmaterial 312 innerhalb der ersten Zone l₃₁ Hafnium oder eine Hafniumlegierung als langlebiger Neutronenabsorber verwendet wird, absorbiert der langlebige Neutronenabsorber oder das Hafnium sowie der durch einen hohen Reaktivitätswert gekennzeichneten Neutronenabsorber oder Borkarbid Neutronen in geeignetem Umfang, so daß die Belastung des Borkarbids mit Neutronenabsorption reduziert wird. Folglich läßt sich die Gesamtlebensdauer verlängern.

Wenn als Flügel-Grundmaterial 312 der ersten Zone l₃₁ eine Hafniumlegierung verwendet wird, während die Aufnahmelöcher 305 des Abschnitts l₃₅ mit Borkarbid gefüllt sind, ändern sich die Neutronenabsorptionsfaktoren von Hafnium und Borkarbid mit der Dichte des in der Hafniumlegierung enthaltenden Hafniums, so daß der Gesamt-Neutronenabsorptionsfaktor von Hafnium um Borkarbid mit der Hafniumdichte ansteigt, während diese Stoffe Neutronen mit gewissen Verteilungsraten absorbieren. Das heißt: Wenn die Dichte des Hafniums in dem Flügel-Grundmaterial der ersten Zone l₃₁ zunimmt, steigt der Reaktivitätswert in der ersten Zone. Folglich ist es möglich, einen Absorberstab mit verlängerter Lebensdauer und einem besonders hohen Reaktivitätswert zu erhalten, indem man Hafnium oder eine Hafniumlegierung als Flügel- Grundmaterial 312 in der ersten Zone l₃₁ verwendet.

Die Beziehung zwischen den Neutronenabsorptionsfaktoren der Hafniumlegierung und von Borkarbid ist die gleiche, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist.

Wenn die Dichte von Hafnium in dem Flügel-Grundmaterial 312 bezüglich der Abschnitte l₃₃, l₃₄ und l₃₅ der ersten Zone l₃₁ geändert wird, kann die Hafniumdichte in den Abschnitten l₃₃ und l₃₄ auf einen Wert eingestellt werden, der gleich oder größer ist als 70 Gew.-%, während die Hafniumdichte im Abschnitt l₃₅ auf einen Wert von weniger als 70 Gew.-% eingestellt wird.

In der zweiten Zone l₃₂ wird durch einen Neutronenabsorber in Form eines Paares einander in Dickenrichtung des Flügels 302 mit Abstand gegenüberliegender Platten 313 ein Spalt 314 gebildet. Die Neutronenabsorberplatten 313 sind mit Wasserdurchlauflöchern 315 ausgestattet, so daß Kühlwasser durch den Spalt 314 laufen kann.

Ein langlebiger Neutronenabsorber, z. B. Hafnium oder eine Hafniumlegierung, wird für die Neutronenabsorberplatten 313 verwendet. Dieser langlebige Neutronenabsorber wird aus den oben bezüglich der ersten Zone l₃₁ erwähnten Beispielen ausgewählt.

Fig. 28 zeigt einen Vergleich zwischen den Querschnitten der ersten und der zweiten Zone l₃₁ und l₃₂, und Fig. 28A zeigt den Querschnitt des Abschnitts l₃₅ der ersten Zone l₃₁. In der ersten Zone l₃₁ werden auf den Flügel 302 gestrahlte Neutronen direkt von dem Neutronenabsorber 307 absorbiert, zum Beispiel von in den Flügel 302 eingefülltem Borkarbid. Wenn für das Flügel-Grundmaterial 302 Hafnium oder eine Hafniumlegierung verwendet wird, werden Neutronen direkt sowohl von Borkarbid als auch von Hafnium absorbiert.

Fig. 28B zeigt den Querschnitt der zweiten Zone l₃₂. Der zwischen den aus Hafnium oder einer Hafniumlegierung bestehenden Neutronenabsorberplatten 313 gebildete Spalt 314 gestattet, daß der Spalt mit durchströmendem Kühlwasser gefüllt wird. In der zweiten Zone l₃₂ werden von einer Seite des Flügels 302 eingestrahlte Neutronen durch den Verlangsamungseffekt des Kühlwassers in dem Spalt 314 verzögert und werden anschließend in einer der Neutronenabsorberplatten 313 absorbiert, indem sie in epithermische und thermische Neutronen umgewandelt werden. In diesem Fall steigt der Reaktivitätswert linear an, wenn der mit Kühlwasser gefüllte Spalt 314 größer wird. Dieser Effekt bedeutet, daß die Menge von Hafnium in den Neutronenabsorberplatten 313 reduziert werden kann, wenn der Spalt 314 größer ist. Wenn aber der Spalt 3 cm groß oder größer ist, ergibt sich keine Änderung des Reaktivitätswerts, und es ist schwierig, den Spalt 314 auf eine Größe von mehr als 7 mm in einem tatsächlichen Reaktor-Steuerstab für Siedewasserreaktoren einzustellen. Vorzuziehen ist es daher, den Spalt 314 auf weniger als 7 mm einzustellen, während die gewünschte Menge Hafnium in den Neutronenabsorberplatten 313 vorgesehen wird.

Wenn zur Bildung des oberen Endstücks 316 und des unteren Endstücks 317 gemäß Fig. 26A Zircaloy verwendet wird, läßt sich das Flügel-Grundmaterial 312 mit dem oberen Endstück 316 zusammenschweißen, und das untere Endstück 317 und die Neutronenabsorberplatten 313 lassen sich ebenfalls zusammenschweißen, selbst wenn als Flügel-Grundmaterial 312 Hafnium oder eine Hafniumlegierung verwendet wird. Wenn für das obere Endstück 316 A und das extreme Endstück 317 A gemäß Fig. 26B rostfreier Stahl verwendet wird, so lassen sich diese Elemente und der Flügel mit Hilfe von aus rostfreiem Stahl bestehenden Stiften oder Bolzen 318 miteinander verbinden.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, läßt sich die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise ausführen. Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen werden zwei grundlegende Typen unterschieden: Bei dem einen Typ sind Mäntel oder Umkleidungen vorgesehen, die eine Flügelanordnung bilden, und einen kreuzförmigen Querschnitt aufweisen, bei dem anderen Typ ist kein Mantel vorgesehen. Bei dem Absorberstab ohne Mantel werden Neutronenabsorberelemente direkt zwischen dem oberen und dem unteren Endstück befestigt. Bei dem Absorberstab mit Mänteln werden das oberen Endstück (Strukturelement) und das untere Endstück (Strukturelement) durch die Verbindungsstange verbunden, wobei Mäntel mit länglichem U-förmigem Querschnitt an Vorsprüngen der Verbindungsstange fixiert werden, und es werden in den Mänteln Neutronenabsorberlemente untergebracht.

Für die Anwendung jedes der beiden Typen des Absorberstabs ist es, wie oben angedeutet wurde, ein wichtiger Punkt der Erfindung, dem Anschwellen des Materials an bestimmten Stellen Rechnung zu tragen.

Der Aufbau des Steuerstabs, welcher besonders dem Anschwellen von Material Rechnung trägt, soll im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben werden. Die unten beschriebene Ausführungsform stellt einen Typ von Steuerstab ohne Mantel für den Flügel dar, es versteht sich aber jedoch, daß diese spezielle Struktur nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, und daß die Besonderheiten der Erfindung grundsätzlich auch auf sämtliche oben erläuterten Ausführungsbeispiele angewendet werden können.

Fig. 29 zeigt eine fragmentarische Längsschnittansicht eines Flügels 411 eines Reaktor-Absorberstabs 410 gemäß der Erfindung. Der Gesamtaufbau kann entsprechend den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen auch für den vorliegenden Steuerstab 410 verwendet werden. Deshalb sollen Einzelheiten dieser Steuerstäbe hier nicht sämtlich nochmals erläutert werden.

Nach Fig. 29 sind fünf seitliche Löcher oder Neutronenabsorber- Aufnahmelöcher in Breitenrichtung des Flügels 411 durchgehend angeordnet, um ein Aufnahmloch 418 zu bilden. Wenn die Aufnahmelöcher 418 mit einem borhaltigen (B-10) Neutronenabsorber, zum Beispiel Borkarbid (B₄C), Europiumhexaborid (EuB₆) oder Bornitrid (BN), gefüllt sind, verwandelt sich das B-10 in dem Neutronenabsorber durch die Neutronenabsorptions- Reaktion in He-Gas mit Li. Der größere Anteil des He-Gases streut in das Granulat des Neutronenabsorbers ein und läßt das Granulat anschwellen.

Das Anschwellen des Neutronenabsorbers übt Kräfte auf lokale Bereiche jedes Aufnahmelochs 410 von dessen Innerem her in Richtung zur Außenseite aus. Wenn der Neutronenabsorber im Inneren jedes Aufnahmelochs 418 anschwillt, wird die maximale Spannung in extremen Endbereichen der länglichen Aufnahmelöcher 418 verursacht. In einem Mittelabschnitt der Aufnahmelöcher ist das Ausmaß der Spannung geringer, da das Flügel-Grundmaterial in Dickenrichtung des Flügels 411 verschoben werden kann. Um diesen Spannungen Rechnung zu tragen, wird im Fall der Ausgestaltung mit den länglichen Aufnahmelöchern 418 von der Möglichkeit Gebrauch gemacht, die Sicherheitsspannung an den extremen Enden jedes Gehäuselochs in Richtung der Ausrichtung der Gehäuselöcher zu erhöhen, oder den Flügel so auszulegen, daß die Zeit, zu der die Spannungserzeugung beginnt, verzögert wird oder die Erzeugung der Spannung vermieden wird.

Die in Fig. 29 dargestellte Struktur ist so ausgelegt, daß die Erzeugung jeglicher nennenswerter Spannungen an den äußeren Endlöchern der länglichen Aufnahmelöcher 418 vermieden wird. Die länglichen Aufnahmelöcher 418 sind so geformt, daß die Mitte der Reihe der Aufnahmelöcher 418 einem Abschnitt des Flügels 410 entspricht, wo die Unterkritizität in axialer Richtung des Reaktorkerns minimal wird, wenn der Absorberstab 410 vollständig in den Kern eingesetzt wird, um den Reaktor abzuschalten.

Ein langlebiger Neutronenabsorber 430, z. B. Hafniummetall, eine Hafniumlegierung, eine Silber-Indium-Cadmium-Legierung, ein Oxid eines Seltene-Erden-Elements, z. B. Eu₂O₃, Dy₂O₃, Gd₂O₃ oder Sm₂O₃, oder ein Oxidgemisch eines Oxids eines Seltene-Erden-Elements und HfO₂, wird in das längliche Aufnahmeloch 418 an dessen äußeren Enden eingefüllt. Der Neutronenabsorber 430 erzeugt bei der Reaktion mit Neutronen kein Gas. Daher besteht nicht die Möglichkeit des Anschwellens des Materials, und somit können direkt an den äußeren Enden der länglichen Aufnahmelöcher 418 keine Spannungen entstehen.

In den Zwischenbereich der länglichen Aufnahmelöcher 418 ist ein Neutronenabsorber 431 aus B-10, z. B. B₄C eingefüllt, um die Reaktivität zu verbessern. Der gefüllte Neutronenabsorber 431 schwillt an und verursacht Spannungen im mittleren Bereich des jeweiligen Gehäuselochs 418, so daß das Gehäuseloch 418 in Dickenrichtung des Flügels 411 expandiert. Diese Spannung wird auf die äußeren Enden des Gehäuselochs 418 übertragen, es wird jedoch keine Spannung von dem an diesen äußeren Stellen befindlichen Neutronenabsorber 430 erzeugt, so daß die durch das Anschwellen im Mittelbereich des Aufnahmelochs 418 verursachte Spannung leicht durch eine Verformung des mittleren Bereichs aufgenommen wird und somit eine Reduzierung der mechanischen Lebensdauer vermieden wird.

Dieser Steuerstab ist so ausgebildet, daß der Gasdruck für die Gehäuselöcher gleichförmig ist, indem eine Verbindung geschaffen wird zwischen den Löchern, die mit Neutronen bei geringerer Rate bestrahlt werden, und den Gaskammern 426. Damit ist die Möglichkeit ausgeschlossen, daß die mechanische Lebensdauer des Steuerstabs durch Spannungen bestimmt wird, welche durch den Gasdruck verursacht werden.

Fig. 30 zeigt einen Aufbau, bei dem die Spannungssicherheit an den äußeren Enden jedes länglichen Aufnahmelochs 418 a erhöht ist. Jedes Aufnahmeloch 418 a ist derart ausgebildet, daß der Durchmesser von Seitenlöchern an den äußeren Enden der Gehäuselöcher in Ausricht-Richtung der Gehäuselöcher relativ zu dem Durchmesser verkleinert ist, den die seitlichen Löcher im Mittelabschnitt besitzen, so daß die Dicke des metallischen Grundmaterials des Flügels 411 an den äußeren Enden des jeweiligen Aufnahme- oder Gehäuselochs 418 a erhöht ist. Dadurch ist es möglich, die Spannungs-Widerstandsfähigkeit selbst an den äußeren Enden der länglichen Aufnahmelöcher 418 a des Flügels 411 zu erhöhen.

Der Neutronenabsorber 431, der zum Beispiel aus B-10 enthaltendem B₄C besteht, ist in die länglichen Aufnahmelöcher 418 a eingefüllt. Selbst wenn der eingefüllte Neutronenabsorber 431 beim Bestrahlen mit Neutronen anschwillt, besteht nicht die Möglichkeit der Erzeugung nennenswert großer Spannungen an den äußeren Enden des jeweiligen Aufnahmelochs, und somit ist die Reduzierung der mechanischen Festigkeit erreicht, da die Spannungsfestigkeit an diesen Stellen hoch ist, und da der Mittelabschnitt das Anschwellen durch Verformung in Dickenrichtung des Flügels 411 absorbiert.

Wenn in diesem Fall als Grundmaterial für den Flügel 411 eine Platte verwendet wird, die aus einer verdünnten Legierung, gebildet durch Verdünnen von Hf mit Zr oder Ti, besteht, besitzt das metallische Grundmaterial des Flügels 411 selbst Neutronenabsorptionsfähigkeit. Die Rate, mit der der Neutronenabsorber 431 Neutronen absorbiert, wird dadurch relativ reduziert, und es ist möglich, die Menge des Neutronenabsorbermaterials zu verringern. Als Ergebnis wird der Zeitpunkt, zu dem der Neutronenabsorber 431 mit dem Anschwellen beginnt, auf der Grundlage der Reduzierung der Neutronenabsorptionsrate verzögert und dadurch entsprechend die mechanische Lebensdauer verlängert.

Fig. 31 zeigt einen Teil des Steuerstabs, der so ausgelegt ist, daß der Zeitpunkt verzögert wird, zu dem die Spannungen aufgrund des Anschwellens des Materials gerade zu entstehen beginnen.

In dem in Fig. 31 dargestellten Flügel 411 sind Innenrohre 433 lose in jedes längliche Aufnahmeloch 418 b an dessen äußeren Enden eingesetzt, und ein Neutronenabsorber 434, zum Beispiel B₄C, ist in die Innenrohre 433 gefüllt, während der Neutronenabsorber 431, zum Beispiel B₄C in den Mittelbereich jedes Aufnahmelochs 418 b eingefüllt ist. Die Innenrohre 433 sind lose in den seitlichen Löchern an den äußeren Enden des jeweiligen Aufnahmelochs 418 b aufgenommen, so daß Schwellungs-Absorbierspalten 435 zwischen der Innenfläche des jeweiligen Aufnahmelochs 418 b und der Außenfläche des Innenrohres 433 gebildet werden.

Diese Spalten 435 dienen als Ausweichräume, in die der Neutronenabsorber bis zu einem gewissen Ausmaß frei anschwellen kann, so daß dadurch der Zeitpunkt verzögert wird, zu welchem Spannungen aufgrund von in den Gehäuselöchern, des Flügels 411 beginnenden Schwellungen entstehen.

Fig. 32 zeigt einen Teil eines Absorberstabs, der ebenfalls dazu ausgelegt ist, den Zeitpunkt zu verzögern, zu dem Spannungen aufgrund von beginnenden Schwellungen entstehen, ähnlich wie bei der Struktur nach Fig. 31.

Jedes der länglichen Aufnahmelöcher 418 c nach Fig. 32 ist mit einer glatten Innenoberfläche ausgestattet, und Innenhülsen 436 sitzen lose als Auskleidungen in dem Aufnahmeloch 418 c. Ein Neutronenabsorber 437, zum Beispiel B₄C, ist in die Innenhülsen 436 eingefüllt. Jede Innenhülse 436 besteht beispielsweise aus SUS-Stahl, Hf-Metall oder Aluminium. Auch bei dieser Ausgestaltung dienen die Schwellungs- Absorbierspalte 438 als Ausweichräume zwischen den Innenflächen der Aufnahmelöcher 418 c und den Innenhülsen 436.

In diesem Fall werden notwendigerweise zwischen den länglichen Aufnahmelöchern 418 c und den Außenflächen der Innenhülsen 436 gewisse Spalten 438 gebildet, die als Räume dienen, in die der Neutronenabsorber beim Anschwellen bis zu einem gewissen Grad frei eintreten kann. Als Folge davon verzögert sich der Zeitraum, zu dem Spannungen entstehen aufgrund der Anschwellung des Materials in den Aufnahmelöchern des Flügels 411. Aufgrund der spürbaren Verzögerung wird die mechanische Lebensdauer verlängert.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Reaktor-Absorberstäbe ohne Mantel, jedoch ist die Erfindung auch anwendbar bei mit Mantel ausgestatteten Absorberstäben.

Die oben beschriebenen Ausführungsvarianten umfassen weitere Abwandlungen hinsichtlich der Form der länglichen Aufnahmelöcher in der zweiten Zone des Flügels.

Fig. 33 zeigt eine fragmentarische Längsschnittansicht eines Flügels 511 eines Absorberstabs 510 gemäß der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel wurde im Hinblick auf Maßnahmen ausgelegt, die dem Anschwellen des Materials Rechnung tragen, ähnlich wie bei der Ausführungsformen nach den Fig. 29 bis 32. Der Gesamtaufbau der obigen Ausführungsbeispiele läßt sich auch bei dem Absorberstab 512 verwenden, so daß auf eine entsprechende Beschreibung hier verzichtet wird.

Fig. 33 zeigt ein Beispiel für die Ausgestaltung von Aufnahmelöchern in der zweiten Zone Yc des Flügels 511 des Steuerstabs 510, die dazu dient, eine größere Menge an Neutronenabsorber in einem beschränkten Bereich unterzubringen.

In der zweiten Zone Yc des Flügels 511 sind in der unten beschriebenen Weise Aufnahmelöcher 518 gebildet. Zunächst werden mehrere, zum Beispiel vier Blindlöcher in Breitenrichtung des Flügels durchgehend innerhalb der zweiten Zone Yc des Flügels 511 gebildet, derart, daß die Löcher einander überlappen, um so ein längliches Aufnahme- oder Gehäuseloch 518 zu erhalten, wie es in Fig. 34A gezeigt ist. Als nächstes wird der Körper des Flügels 511 zusammengedrückt, so daß die Dicke des Körpers reduziert wird, wobei Grübchen oder Vertiefungen zum Absorbieren von Schwellungen gebildet werden, wie in Fig. 34B gezeigt ist. Der verbundene Lochbereich jedes Aufnahmelochs 518 wird dadurch aus dem ursprünglichen Zustand, der durch gestrichelte Linien angedeutet ist, verformt in einen durch ausgezogenen Linien skizzierten Zustand. Nach der Bildung der Vertiefungen 528 wird das Grundmaterial des Flügels einer Warmbehandlung unterzogen, um Restspannungen an dem verbundenen Lochabschnitt jedes Aufnahmelochs 518 zu beseitigen. Danach wird ein Neutronenabsorber, zum Beispiel B₄C-Granulat, in jedes Aufnahmeloch 518 eingebracht.

Wenn der Absorberstab, in welchem die zweite Zone Yc des Flügels 511 den in den Fig. 33, 34A und 34B dargestellten Aufbau aufweist, mit Neutronen bestrahlt wird, wenn der Stab in den Reaktorkern eingefahren ist, schwillt das B₄C- Granulat, welches als Neutronenabsorber dient, durch den Effekt des Heliums und dergleichen, welches durch die Bestrahlung erzeugt wird, an und drückt die Innenflächen der Aufnahmelöcher 518 nach außen.

Da nun die Schwellungs-Absorbiervertiefungen einen Raum darstellen, der die Expansion des unter Druck stehenden Körpers des Flügels 511 an der Stelle des verbundenen Lochbereichs jedes Aufnahmelochs 518 in der zweiten Zone Yc des Flügels 511 in Dickenrichtung des Flügels absorbiert, ist es möglich, daß jedes Aufnahmeloch 518 sich bis zu einem Ausmaß erweitert, welches dem ursprünglichen Zustand gemäß Fig. 34A entspricht, also dem Zustand vor der Verformung des Aufnahmelochs 518. Dabei werden um das Aufnahmeloch 518 herum keine nennenswerten Spannungen erzeugt, auch wenn die Innenfläche des Aufnahmelochs die Schwellungskraft aufnimmt.

Darüber hinaus ist die Änderungsgeschwindigkeit aufgrund der Anschwellung des Volumens des B₄C-Granulats klein, und das Ausmaß der Schwellung des B₄C-Granulats, das erforderlich ist, um die schwellungsabsorbierenden Vertiefungen 528 an der Stelle des Verbindungslochabschnitts jedes Aufnahmelochs 518 bis zum Erreichen der ursprünglichen Lage, die in Fig. 34A erreicht ist, ist beträchtlich. Damit absorbieren die Vertiefungen 528 an den Stellen der Aufnahmelöcher 518 innerhalb der zweiten Zone Yc des Flügels 511 das anschwellende B₄C-Granulat und beschränken dadurch wirksam durch Schwellungen von B₄C hervorgerufene Spannungen und gestatten damit eine Verlängerung der mechanischen Lebensdauer.

Fig. 35 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Absorberstabs.

Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Zone Yc₁ des Flügels 511 unterteilt in eine durch hohe Neutronenbestrahlung gekennzeichnete Zone Yc₂ an der Seite des oberen Einsetzendes des Steuerstabs und eine durch mäßige Neutronenbestrahlung gekennzeichnete Zone Yc₂ an der Seite des unteren Einsetzendes des Steuerstabs. In der durch mäßige Neutronenbestrahlung gekennzeichneten Zone Yc₂ vorhandene Aufnahmelöcher 518 a haben im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die in Fig. 33, 34A und 34B dargestellten Aufnahmelöcher 518, sie unterscheiden sich jedoch von letzteren darin, daß die Aufnahmelöcher 518 a glattgeformte Innenflächen besitzen.

In der eine hohe Neutronenbestrahlung aufnehmenden Zone Yc₁ sind Aufnahmelöcher 518 b derart ausgebildet, daß der Körper des Flügels 511 an der Stelle eingedrückt ist, an der sich jeweils runde Blindlöcher in Dickenrichtung des Flügels erstrecken, und zwar wird der Körper in Dickenrichtung des Flügels 511 derart zusammengedrückt, daß die genannten Löcher eine längliche Form aufweisen. Vertiefungen oder Grübchen 528 a, die in der Lage sind, durch Schwellungen verursachte Spannungen aufzunehmen, werden auf diese Weise an der Stelle jedes Aufnahmelochs 518 b gebildet.

Außerdem sind Aufnahmelöcher 517 a (seitliche Blindlöcher), die mit B₄C zu füllen sind, in der oberen Einsetzendzone Xc der ersten Zone ausgebildet. Der Durchmesser der Aufnahmelöcher 517 a ist kleiner als der der Aufnahmelöcher 518 b in dem eine hohe Neutronenbestrahlung aufnehmenden Abschnitt Yc₁. Die Dicke des Grundmaterials des Flügels 511 ist bei dieser Ausführungsform deshalb größer, und die Schwellungs-Widerstandsfähigkeit ist entsprechend groß. Da die Neutronenbestrahlungsrate an der Seite des oberen Einsetzendes besonders hoch ist, wird in dieser Zone Hf eingefüllt.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen Reaktor- Absorber- oder Steuerstäbe ohne Mantel dar, jedoch ist die Erfindung in ähnlicher Weise auch anwendbar bei Absorberstäben und Steuerstäben mit Mänteln.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele umfassen noch andere Abwandlungsformen hinsichtlich der Gestalt der länglichen Aufnahmelöcher in der zweiten Zone des Flügels.

Eine mögliche Abwandlung der Erfindung sieht vor, daß in einem Flügel 615 eines in Fig. 36 dargestellten Steuerstabs 610 ein langlebiger Neutronenabsorber 621, der einen oberen Einsetzendabschnitt Xd abdeckt, als solider Körper mit verringerter Dicke ausgebildet ist, da die Reaktivitätseffekte sich hinsichtlich dieser Zone reduzieren lassen. Bei dieser Ausgestaltung ist ein Innenabschnitt des Flügels 615 innerhalb der oberen Einsetzendzone Xd ausgeschnitten, da der Beitrag dieses Abschnitts zu dem Reaktivitätswert gering ist, aber durch das Ausschneiden das Gesamtgewicht des Steuerstabs 610 reduziert wird und Aufschläge auf den Brandstoff beim Herausziehen des Steuerstabs verringert werden.

Ferner kann eine Eingriffs-Ausnehmung 633 dadurch gebildet sein, daß das innere Ende des langlebigen Neutronenabsorbers des Flügels 615 in dessen Breitenrichtung teilweise ausgeschnitten wird, um den langlebigen Neutronenabsorber auf einem Träger zu halten, der seitlich von einem Verlängerungsabschnitt der zentralen Verbindungsstange absteht.

Ferner ist es möglich, gemäß der in Fig. 37 dargestellten Anordnung mehrere kleine Löcher 635 in einem Neutronenabsorber auszubilden, der in der oberen Einsetzendzone Xd des Flügels 615 des Steuerstabs 610 vorgesehen ist, um das Gewicht des Steuerstabs 610 zu verringern.

Selbstverständlich ist es möglich, einen Teil des Flügels, der durch den Neutronenabsorber 621 gebildet wird, mit Gaskammern auszustatten. Ferner ist es möglich, den Flügel 615 aus einer verdünnten Legierung herzustellen, die gebildet wird durch Verdünnen eines langlebigen Neutronenabsorbers wie beispielsweise Hafnium mit einem Verdünner, beispielsweise Zirkonium oder Titan.

Fig. 38 und 39 zeigen ein anderes modifiziertes Beispiel.

Ein Absorberstab 710 ist derart ausgebildet, daß die Dicke eines langlebigen Neutronenabsorbers 721 in einer oberen Einsetzendzone Xe eines Flügels 715 reduziert wird, um das Gesamtgewicht des Steuerstabs zu verringern, und daß Langlöcher 740, die sich in Längsrichtung des Flügels 715 erstrecken, reihenförmig in Breitenrichtung des Flügels 715 angeordnet sind. Ein Neutronenabsorber 724 in Granulatform oder in Form von Pellets, hergestellt aus einer chemischen Verbindung mit Bor, welches durch Anreichern von natürlichem Bor oder Bor-10 erhalten wird, ist in jedes der Langlöcher 740 eingefüllt.

Wenn B₄C-Granulat oder dergleichen in die Langlöcher 740 eingefüllt wird, besteht die Möglichkeit, daß Räume zwischen den oberen Endabschnitten der Löcher entstehen, wenn sich das Granulat setzt. Da aber der langlebige Neutronenabsorber 721 die Langlöcher 740 umringt, besteht praktisch keine Möglichkeit für das Auftreten von Neutronenfluß- Spitzen wegen des Fehlens von B₄C-Granulat. Der Einfluß der Bildung solcher Hohlräume auf die Reaktivität ist ebenfalls sehr gering. Daher besteht kein Bedarf am Einsetzen von Unterteilungskugeln in die Längslöcher 740.

Fig. 40A und 40B zeigen ein weiteres modifiziertes Beispiel.

Ein Reaktor-Absorberstab 810 besitzt mehrere Verbindungselemente (seitliche Verbindungsstangen) 843 anstelle der mittleren Verbindungsstange. (Nicht gezeigte) obere und untere Strukturelemente oder Endstücke werden von den Verbindungselementen 843 verbunden. Eine Neutronenabsorberanordnung 844 ist in dem Raum für die mittlere Verbindungsstange vorgesehen, wodurch der Reaktivitätswert verbessert wird. Die Neutronenabsorberanordnung 844 besteht aus einer rechtwinkligen zentralen Hafniumstange 844 a und peripheren Neutronenabsorberstangen 844 b, die mit B₄C oder dergleichen gefüllt sind. Anstelle der zentralen Hafniumstange kann eine kreisförmige oder rechtwinklige Neutronenabsorberstange aus rostfreiem Stahl verwendet werden.

Ein langlebiger Neutronenabsorber 821, zum Beispiel eine Hafniumplatte, ist in einer ersten Zone Xg eines Flügels 815 des Steuerstabs 810 eingesetzt, wie Fig. 40A zeigt, während in einer zweiter Zone Yg gemäß Fig. 40B herkömmliche Neutronenabsorberstangen 827 angeordnet sind.

In weiteren Abwandlungen, die praktisch für jedes der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele möglich sind, kann ein Mantelelement mit U-förmigem Querschnitt in jedem Flügel aufgenommen sein, der Flügel oder das Mantelelement kann aus rostfreiem Stahl bestehen, und die Lage und die Anordnung der Gehäuse- oder Aufnahmelöcher kann nach Wunsch und Bedarf ausgewählt werden.

Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß durch die Erfindung ein langlebiger Reaktor-Absorberstab oder Steuerstab geschaffen wird, der in der Lage ist, eine ausreichende Reaktorabschaltgrenze zu erhalten, der den Gesamt- Reaktivitätswert verbessert, und der frei von durch Schwellungen entstehenden Problemen ist.

Claims (46)

1. Absorberstab für einen Kernreaktor, umfassend:
mehrere Flügel (13; 115; 211; 302; 411; 511; 615; 715; 815), jeweils in Form einer etwa rechteckigen Platte, deren Längsachse sich in Längsrichtung des Absorberstabs erstreckt, wobei die Flügel unter Bildung eines kreuzförmigen Querschnitts des Absorberstabs an Längsseiten miteinander verbunden sind;
ein oberes Endstück (10 a, 111), das an dem oberen Ende jedes der in den Reaktorkern eingesetzten Flügel montiert ist;
ein unteres Endstück (10 b, 112), das an dem unteren Ende jedes der in den Reaktorkern eingesetzten Flügel montiert ist;
ein mittleres Verbindungselement (12, 113), welches das obere und das untere Endstück miteinander verbindet, um den Flügel zu haltern; und
eine in dem Flügel ausgebildete Aufnahmeeinrichtung (14, 14 a, 121, 126, 218, 219, 305, 418, 518, 740), in der ein Neutronenabsorber untergebracht ist,
wobei der Flügel aus einer verdünnten Legierung besteht, die erhalten wird, indem man einen langlebigen Neutronenabsorber, z. B. Hafnium, mit einem Verdünner verdünnt.

2. Absorberstab nach Anspruch 1, bei dem der Hafniumanteil in der den Flügel bildenden verdünnten Legierung über die Gesamtlänge des Flügels in axialer Richtung des Absorberstabs konstant ist und auf 20 bis 90 Gew.-% eingestellt ist.

3. Absorberstab nach Anspruch 1, bei dem die den Flügel bildende verdünnte Legierung derart ausgebildet ist, daß der Hafniumanteil von dem oberen Ende des Flügels in Richtung auf dessen unteres Ende hin nach und nach abnimmt.

4. Absorberstab nach Anspruch 1, bei dem die Aufnahmeeinrichtung mehrere in dem Flügel ausgebildete Neutronenabsorber- Aufnahmelöcher (14, 14 a, 121, 126, 218, 219, 305, 418, 518, 740) enthält, die über die Gesamtlänge des Flügels in dessen Längsrichtung verteilt angeordnet sind.

5. Absorberstab nach Anspruch 4, bei dem die Neutronenabsorber- Aufnahmelöcher (740) sich in Längsrichtung des Flügels erstrecken.

6. Absorberstab nach Anspruch 4, bei dem die Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher (14, 14 a, 121, 126, 218, 219, 305, 418, 518) in Breitenrichtung des Flügels erstrecken.

7. Absorberstab nach Anspruch 6, bei dem die Neutronenabsorber- Aufnahmelöcher im wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche aufweisen, wobei in den Aufnahmelöchern verschiedene, bezüglich der Neutronenbestrahlungsrate ausgewählte Neutronenabsorber einschließlich Gaskammern (16) untergebracht sind.

8. Absorberstab nach Anspruch 6, bei dem zumindest eines der Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher in einer Zone, in welcher die Unterkritizität beim Abschalten des Reaktors kleiner wird, als Langloch (14 a, e; 18, 418, 518) mit in Längsrichtung des Flügels länglichem Querschnitt ausgebildet ist, daß in den äußeren Endabschnitten des Innenraums des länglichen Aufnahmelochs in Nachbarschaft benachbarter Löcher ein Neutronenabsorber, der durch die Neutronenabsorptionsreaktion nicht schwillt, eingefüllt ist, während ein borhaltiger Neutronenabsorber im übrigen Innenraum des Aufnahmelochs untergebracht ist.

9. Absorberstab nach Anspruch 6, bei dem zumindest eines der Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher in einer Zone, in welcher die Unterkritizität beim Abschalten des Reaktors kleiner wird, als längliches Loch (418 a) in Längsrichtung des Flügels (411) ausgebildet ist, wobei Die Gesamtdicke der metallischen Flügelwandabschnite an dem Aufnahmeloch an den äußeren Endabschnitten des länglichen Aufnahmelochs neben benachbarten Löchern relativ zu der Dicke der Flügelwand im Mittelbereich des Aufnahmelochs vergrößert ist.

10. Absorberstab nach Anspruch 6, bei dem zumindest eines der Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher (418 b) in einer Zone, in welcher die Unterkritizität während des Abschaltens des Reaktors kleiner wird, als in Längsrichtung des Flügels längliches Loch (418 b) ausgebildet ist, daß ein Paar mit einem Neutronenabsorber (434) gefüllter Innenrohre (433) in die äußeren Endabschnitte des Innenraums des länglichen Aufnahmelochs in der Nähe benachbarter Löcher eingesetzt ist, und daß im übrigen Innenraum des Aufnahmelochs ein borhaltiger Neutronenabsorber (431) aufgenommen ist.

11. Absorberstab nach Anspruch 6, bei dem zumindest eines der Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher (418) innerhalb einer Zone, in welcher die Unterkritizität während des Abschaltens des Reaktors kleiner wird, als in Längsrichtung des Flügels längliches Loch ausgebildet ist, und daß in dem länglichen Aufnahmeloch eine Innenhülse (436) untergebracht ist, die mit einem borhaltigen Neutronenabsorber (437) gefüllt ist.

12. Absorberstab nach Anspruch 6, bei dem zumindest eines der Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher, die in einer Zone liegen, in welcher die Unterkritizität während des Abschaltens des Reaktors kleiner wird, als in Längsrichtung des Flügels sich erstreckendes Loch ausgebildet ist, und daß in den Seitenflächen eines den Flügel bildenden Metallelements an den Stellen des länglichen Aufnahmelochs schwellungsabsorbierende Vertiefungen (528, 528 a) ausgebildet sind.

13. Absorberstab nach Anspruch 4, bei dem die Neutronenabsorber- Aufnahmelöcher Löcher umfassen, die innerhalb eines oberen Längenabschnitts des Flügels sich in Breitenrichtung des Flügels erstrecken, sowie weitere Löcher umfassen, die sich in einem unteren Längenabschnitt des Flügels in Längsrichtung des Flügels erstrecken.

14. Absorberstab nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem der Verdünner eine Substanz ist, die Zirkonium oder Titan als Hauptkomponente enthält.

15. Absorberstab nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem jeder Flügel mit einem einen etwa U-förmigem Querschnitt aufweisenden Mantelelement (114) versehen ist.

16. Absorberstab für einen Kernreaktor, gekennzeichnet durch:
mehrere Flügel (13, 115, 211, 302, 411, 511, 615, 715, 815), jeweils in Form einer etwa rechteckigen Platte, deren Längsachse sich in Längsrichtung des Absorberstabs erstreckt, wobei die Flügel an Längsseiten dicht nebeneinander angeordnet sind, so daß sie einen kreuzförmigen Querschnitt des Absorberstabs bilden,
ein oberes Endstück (10 a, 111), das an dem oberen Ende jedes der in den Reaktorkern eingesetzten Flügel befestigt ist,
ein unteres Endstück (10 b, 112), das an dem unteren Ende jedes in den Reaktorkern eingesetzten Flügels befestigt ist,
ein mittleres Verbindungselement (12, 113), das das äußere Endstück und das innere Endstück verbindet, um den jeweiligen Flügel zu haltern, und
einen in dem jeweiligen Flügel gebildeten Aufnahmeraumabschnitt (X, Y), in welchem ein Neutronenabsorber (122, 220, 221, 430, 431) untergebracht ist, wobei der Aufnahmeraumabschnitt unterteilt ist in eine erste Zone (X) an der Seite des oberen Endes und eine zweite Zone (Y) an der Seite des unteren Endes in Nachbarschaft zu der ersten Zone, die erste Zone eine durch einen hohen Reaktivitätswert gekennzeichnete Zone (X₁) enthält, in der eine durch Verdünnen eines langlebigen Neutronenabsorbers mit einem Verdünner erhaltene verdünnte Legierung untergebracht ist, und in der mehrere sich in Querrichtung des Flügels erstreckende seitliche Löcher (126) in einer Reihe über der Zone angeordnet sind, in der der langlebige Neutronenabsorber enthalten ist, und wobei in die seitlichen Löcher ein von dem langlebigen Neutronenabsorber verschiedener Neutronenabsorber eingefüllt ist.

17. Absorberstab nach Anspruch 16, bei dem die durch einen hohen Reaktivitätswert gekennzeichnete Zone innerhalb der ersten Zone eine Länge aufweist, die etwa ¼ der Länge des Neutronenabsorber-Aufnahmeraums in Längsrichtung des Flügels entspricht, die durch einen hohen Reaktivitätswert gekennzeichnete Zone unterteilt ist in eine langlebige, einen hohen Reaktivitätswert aufweisende Zone an der Seite des oberen Endes und eine einen sehr hohen Rekativitätswert aufweisende Zone an der Seite des unteren Endes, und wobei die Dichte des in der ersten Zone vorhandenen verdünnten Legierung enthaltenen langlebigen Neutronenabsorbers sich so ändert, daß sie von der Seite des oberen Endes zu dem unteren Ende hin abnimmt.

18. Absorberstab nach Anspruch 16, bei dem die erste Zone eine Länge von mindestens ¼ der Länge des Neutronenabsorber- Aufnahmeraums in Längsrichtung des Flügels aufweist, in der ersten Zone eine einen langlebigen Neutronenabsorber aufweisende, verdünnte Legierung vorhanden ist, sich in Breitenrichtung des Flügels erstreckende seitliche Löcher in der verdünnten Legierung ausgebildet sind, so daß sie eine Reihe bilden, mindestens eines der seitlichen Löcher in der Nähe des unteren Endes als Gaskammer (16) ausgebildet ist, mindestens eines der seitlichen Löcher in Nachbarschaft zu dem als Gaskammer (16) ausgebildeten seitlichen Loch an der Seite des unteren Endes mit einem langlebigen Neutronenabsorber gefüllt ist, einige der seitlichen Löcher, die benachbart zu dem mit dem langlebigen Neutronenabsorber gefüllten Loch auf der Seite des unteren Endes gelegen sind, und die in einer Zone liegen, in der die Unterkritizität während des Abschaltens des Reaktors kleiner wird, mit reduzierten Abständen angeordnet und mit einem Neutronenabsorber, wie beispielsweise Borkarbid gefüllt sind, und zumindest eines der seitlichen Löcher am Ende der ersten Zone mit einem Neutronenabsorber gefüllt ist.

19. Absorberstab nach Anspruch 18, bei dem zumindest eines der Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher in einer Zone, in welcher die Unterkritizität beim Abschalten des Reaktors kleiner wird, als Langloch (14 a, e; 18, 418, 518) mit in Längsrichtung des Flügels länglichem Querschnitt ausgebildet ist, daß in den äußeren Endabschnitten des Innenraums des länglichen Aufnahmelochs in Nachbarschaft benachbarter Löcher ein Neutronenabsorber, der durch die Neutronenabsorptionsreaktion nicht schwillt, eingefüllt ist, während ein borhaltiger Neutronenabsorber im übrigen Innenraum des Aufnahmelochs untergebracht ist.

20. Absorberstab nach Anspruch 18, bei dem zumindest eines der Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher in einer Zone, in welcher die Unterkritizität beim Abschalten des Reaktors kleiner wird, als längliches Loch (418 a) in Längsrichtung des Flügels (411) ausgebildet ist, wobei die Gesamtdicke der metallischen Flügelwandabschnitte an dem Aufnahmeloch an den äußeren Endabschnitten des länglichen Aufnahmelochs neben benachbarten Löchern relativ zu der Dicke der Flügelwand im Mittelbereich des Aufnahmelochs vergrößert ist.

21. Absorberstab nach Anspruch 18, bei dem zumindest eines der Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher (418 a) in einer Zone, in welcher die Unterkritizität beim Abschaltens des Reaktors kleiner wird, als in Längsrichtung des Flügels längliches Loch (418 a) ausgebildet ist, daß ein Paar mit einem Neutronenabsorber (434) gefüllter Innenrohre (433) in die äußeren Endabschnitte des Innenraums des länglichen Aufnahmelochs in der Nähe benachbarter Löcher eingesetzt ist, und daß im übrigen Innenraum des Aufnahmelochs ein borhaltiger Neutronenabsorber (431) aufgenommen ist.

22. Absorberstab nach Anspruch 18, bei dem zumindest eines der Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher (418) innerhalb einer Zone, in welcher die Unterkritizität beim Abschaltens des Reaktors kleiner wird, als in Längsrichtung des Flügels längliches Loch ausgebildet ist, und daß in dem länglichen Aufnahmeloch eine Innenhülse (436) untergebracht ist, die mit einem borhaltigen Neutronenabsorber (437) gefüllt ist.

23. Absorberstab nach Anspruch 18, bei dem zumindest eines der Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher, die in einer Zone liegen, in welcher die Unterkritizität während des Abschaltens des Reaktors kleiner wird, als in Längsrichtung des Flügels sich erstreckendes Loch ausgebildet ist, und daß in den Seitenflächen eines den Flügel bildenden Metallelements an den Stellen des länglichen Aufnahmelochs schwellungsabsorbierende Vertiefungen (528, 528 a) ausgebildet sind.

24. Absorberstab nach Anspruch 18, bei dem mit einem Neutronenabsorber, wie zum Beispiel Borkarbid gefüllte Neutronenabsorberstangen (33, 133) in der zweiten Zone (X, Y) neben der ersten Zone an der Seite des unteren Einsetzendes angeordnet sind.

25. Absorberstab nach Anspruch 16, bei dem mit einem Neutronenabsorber, wie zum Beispiel Borkarbid gefüllte Neutronenabsorberstangen (33, 133) in der zweiten Zone (X, Y) neben der ersten Zone an der Seite des unteren Einsetzendes angeordnet sind.

26. Absorberstab nach Anspruch 16, bei dem die zweite Zone eine durch Verdünnen eines langlebigen Neutronenabsorbers mit einem Verdünner gebildete verdünnte Legierung enthält, mehrere seitliche Löcher sich in Breitenrichtung des Flügels in dem Abschnitt aus der verdünnten Legierung erstrecken, und in den seitlichen Löchern ein Neutronenabsorber untergebracht ist.

27. Absorberstab nach Anspruch 16, bei dem der langlebige Neutronenabsorber aus Hafnium besteht, während der Verdünner hauptsächlich aus Zirkonium oder einer aus Titan bestehenden Substanz besteht.

28. Absorberstab nach Anspruch 16, bei dem mit einem Abschnitt des Neutronenabsorber-Aufnahmeraums, in welchem die Unterkritizität beim Abschalten des Reaktors vom oberen Einsetzende zum unteren Einsetzende hin kleiner wird, ein zusammengesetzter Neutronenabsorber untergebracht ist, der dadurch erhalten wird, daß man eine durch einen sehr hohen Reaktivitätswert gekennzeichnete Substanz in einer verdünnten Legierung unterbringt, die man dadurch erhält, daß man einen langlebigen Neutronenabsorber, wie beispielsweise Hafnium, mit einem Verdünner, wie zum Beispiel Zirkonium oder Titan, verdünnt.

29. Absorberstab nach Anspruch 28, bei dem die durch einen sehr hohen Reaktivitätswert gekennzeichnete Substanz Borkarbid, Europiumoxid und Europiumhexaborid umfaßt.

30. Absorberstab nach Anspruch 16, bei dem in zumindest einem der seitlichen Löcher, die in einer dem Neutronenabsorber- Aufnahmeraum entsprechenden oberen Einsetzendzone jedes Flügels gebildet sind, ein langlebiger Neutronenabsorber untergebracht ist, während in einigen der Aufnahmelöcher (14), die in einer Zone gebildet sind, in der die Unterkritizität während des Abschaltens des Reaktors kleiner wird, eine Querschnittsfläche aufweisen, die größer ist als diejenige der Aufnahmelöcher (14 b) in anderen Zonen.

31. Absorberstab nach Anspruch 16, bei der sich die erste Zone von dem oberen Einsetzende des Flügels in Längsrichtung des Flügels über eine Strecke von ¼ bis ¾ der gesamten axialen Länge des Reaktorkerns erstreckt, während sich ein Paar einander gegenüberliegender Neutronen-Absorberplatten (158, 313) in der zweiten Zone befinden und einen Abstand voneinander in Dickenrichtung des Flügels aufweisen, so daß ein Spalt gebildet wird, durch den Kühlwasser fließen kann.

32. Absorberstab nach Anspruch 16, bei dem in der zweiten Zone ein Neutronenabsorber untergebracht ist, der Neutronenabsorber eine verdünnte Legierung enthält, die man erhält, indem man als langlebiger Neutronenabsorber Hafnium mit Zirkonium als Verdünner verdünnt, und der Anteil des Hafniums in der verdünnten Legierung gleich oder kleiner ist als 2 Gew.-%.

33. Absorberstab nach Anspruch 16, bei dem ein Neutronenabsorber in der ersten und der zweiten Zone untergebracht ist, der Neutronenabsorber eine verdünnte Legierung enthält, die man dadurch erhält, daß man als langlebigen Neutronenabsorber Hafnium mit Zirkonium als Verdünner verdünnt, und der Hafniumanteil in der verdünnten Legierung gleich oder kleiner als 10 Gew.-% ist.

34. Absorberstab nach Anspruch 16, bei dem in der ersten und der zweiten Zone ein Neutronenabsorber untergebracht ist, der Neutronenabsorber eine verdünnte Legierung aufweist, die man erhält, indem man als langlebiger Neutronenabsorber Hafnium mit Titan als Verdünner verdünnt, und der Anteil des Hafniums in der verdünnten Legierung gleich oder kleiner ist als 30 Gew.-%.

35. Absorberstab nach Anspruch 16, bei dem jeder Flügel mit einem Mantelelement (114) etwa U-förmigen Querschnitts versehen ist.

36. Absorberstab nach Anspruch 35, bei dem das Mantelelement aus einer verdünnten Legierung besteht, die man dadurch erhält, indem man als langlebiger Neutronenabsorber Hafnium mit als Verdünner dienendem Zirkonium verdünnt, wobei der Hafniumanteil in der verdünnten Legierung auf etwa 20 Gew.-% eingestellt ist.

37. Absorberstab nach Anspruch 35, bei dem das Mantelelement aus einer verdünnten Legierung gebildet ist, die man dadurch erhält, indem als langlebiger Neutronenabsorber Hafnium mit Titan als Verdünner verdünnt, wobei der Hafniumanteil der verdünnten Legierung auf etwa 30 Gew.-% eingestellt ist.

38. Absorberstab für einen Kernreaktor gekennzeichnet durch:
mehrere Flügel, die jeweils in Form einer etwa rechteckigen Platte, die sich mit ihrer Längsachse in Richtung der Längsachse des Absorberstabs erstreckt, wobei die Flügel an ihren Längsseiten derart miteinander verbunden sind, daß ein kreuzförmiger Querschnitt des Absorberstabs gebildet wird,
ein oberes Endstück, das an dem oberen Einsetzende jedes der in den Reaktorkern eingesetzten Flügel montiert ist,
ein unteres Endstück, das an dem unteren Einsetzende jedes in den Reaktorkern eingesetzten Flügel montiert ist,
eine mittlere Verbindungseinrichtung (212, 213), die das obere Endstück und das untere Endstück zum Haltern des Flügels verbindet, und
einen Aufnahmeraumabschnitt (L), der in dem Flügel gebildet ist und in welchem ein Neutronenabsorber untergebracht ist, wobei der Neutronenabsorber-Aufnahmeraumabschnitt (L) mehrere Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher (217, 218, 219) enthält, die eine Reihe bilden und sich jeweils in Breitenrichtung des Flügels erstrecken, der Neutronenabsorber- Aufnahmeraumabschnitt unterteilt ist in eine erste Zone (Xa) auf der Seite des oberen Einsetzendes, wo die Neutronenbestrahlungsrate besonders hoch ist, eine zweite Zone (Ya) benachbart zu der ersten Zone, wo die Unterkritizität während des Abschaltens des Reaktors kleiner wird, und eine zweite Zone (Za), die an die zweite Zone auf der Seite des unteren Einsetzendes angrenzt, ein langlebiger Neutronenabsorber in einige der Aufnahmelöcher der ersten Zone (Xa) gefüllt ist, ein Neutronenabsorber wie beispielsweise Borkarbid in einige der Aufnahmelöcher in der ersten und der zweiten Zone (Ya, Za) gefüllt ist, und zumindest eines der Aufnahmelöcher (219) in der dritten Zone (Za) als Gaskammer ausgebildet ist.

39. Absorberstab nach Anspruch 38, bei dem die Querschnittsfläche des in der zweiten Zone (Ya) vorhandenen Neutronenabsorber-Aufnahmelochs (218) größer ist als die der in den anderen Zonen (Xa, Za) gebildeten Aufnahmelöcher (217, 219).

40. Absorberstab nach Anspruch 34, bei dem zumindest eines der Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher in einer Zone, in welcher die Unterkritizität beim Abschalten des Reaktors kleiner wird, als Langloch (14 a, e; 18, 418, 518) mit in Längsrichtung des Flügels länglichem Querschnitt ausgebildet ist, daß in den äußeren Endabschnitten des Innenraums des länglichen Aufnahmelochs in Nachbarschaft benachbarter Löcher ein Neutronenabsorber, der durch die Neutronenabsorptionsreaktion nicht schwillt, eingefüllt ist, während ein borhaltiger Neutronenabsorber im übrigen Innenraum des Aufnahmelochs untergebracht ist.

41. Absorberstab nach Anspruch 39, bei dem zumindest eines der Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher in einer Zone, in welcher die Unterkritizität beim Abschalten des Reaktors kleiner wird, als längliches Loch (418 a) in Längsrichtung des Flügels (411) ausgebildet ist, wobei die Gesamtdicke der metallischen Flügelwandabschnitte an dem Aufnahmeloch an den äußeren Endabschnitten des länglichen Aufnahmelochs neben benachbarten Löchern relativ zu der Dicke der Flügelwand mit Mittelbereich des Aufnahmelochs vergrößert ist.

42. Absorberstab nach Anspruch 38, bei dem jeder Flügel mit einem einen etwa U-förmigen Querschnitt aufweisenden Mantelelement (114) ausgestattet ist.

43. Absorberstab nach Anspruch 38, bei dem zumindest eines der Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher (418 b) in einer Zone, in welcher die Unterkritizität während des Abschaltens des Reaktors kleiner wird, als in Längsrichtung des Flügels längliches Loch (418 b) ausgebildet ist, daß ein Paar mit einem Neutronenabsorber (434) gefüllter Innenrohre (433) in die äußeren Endabschnitte des Innenraums des länglichen Aufnahmelochs in der Nähe benachbarter Löcher eingesetzt ist, und daß im übrigen Innenraum des Aufnahmelochs ein borhaltiger Neutronenabsorber (431) aufgenommen ist.

44. Absorberstab nach Anspruch 38, bei dem zumindest eines der Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher (418 b) innerhalb einer Zone, in welcher die Unterkritizität während des Abschaltens des Reaktors kleiner wird, als in Längsrichtung des Flügels längliches Loch ausgebildet ist, und daß in dem länglichen Aufnahmeloch eine Innenhülse (436) untergebracht ist, die mit einem borhaltigen Neutronenabsorber (437) gefüllt ist.

45. Absorberstab nach Anspruch 38, bei dem zumindest eines der Neutronenabsorber-Aufnahmelöcher, die in einer Zone liegen, in welcher die Unterkritizität während des Abschaltens des Reaktors kleiner wird, als in Längsrichtung des Flügels sich erstreckendes Loch ausgebildet ist, und daß in den Seitenflächen eines den Flügel bildenden Metallelements an den Stellen des länglichen Aufnahmelochs schwellungsabsorbierende Vertiefungen (528, 528 a) ausgebildet sind.

46. Absorberstab für einen Kernreaktor gekennzeichnet durch:
mehrere Flügel, jeweils in Form einer etwa rechteckigen Platte, deren Längsachse sich in Längsrichtung des Absorberstabs erstreckt, wobei die Flügel an deren Längsseiten derart miteinander verbunden sind, daß ein kreuzförmiger Querschnitt des Absorberstabs gebildet wird,
ein oberes Endstück, das an dem oberen Einsetzende jedes der in den Reaktorkern eingesetzten Flügel montiert ist,
ein unteres Endstück, das an dem unteren Einsetzende jedes der in den Reaktorkern eingesetzten Flügel befestigt ist, und
eine mittlere Verbindungseinrichtung, die das obere Endstück und das untere Endstück so verbindet, daß die Flügel gehaltert werden,
wobei in jedem der Flügel ein metallisches Mantelelement mit etwa U-förmigem Querschnitt untergebracht ist, der Flügel unterteilt ist in einen ersten Abschnitt an der Seite des oberen Endes des oberen Endstückes und eine zweite Zone an der Seite des unteren Endes des unteren Endstückes und benachbart zu der ersten Zone, in dem Mantel innerhalb der ersten Zone ein langlebiger Neutronenabsorber untergebracht ist, die erste Zone eine durch einen sehr hohen Reaktivitätswert gekennzeichnete Zone enthält, in dem langlebigen Neutronenabsorber innerhalb der durch einen sehr hohen Reaktivitätswert gekennzeichneten Zone mehrere ausgerichtete Löcher gebildet sind, und die Löcher mit einem von Hafnium verschiedenen Neutronenabsorberelement gefüllt sind.